DE102020215625A1 - Bauteil und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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Tim Abraham
Peter-Jochen Brand
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (1) mit einem Grundkörper (10) und einer Sensorschicht (2), welche den Grundkörper (10) zumindest teilweise bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) weiterhin zumindest eine elektrische Leitung (3) mit einem ersten Ende (31) und einem gegenüberliegenden zweiten Ende (32) aufweist, welche zumindest teilweise in den Grundkörper (10) eingebettet ist und deren erstes Ende (31) mit der Sensorschicht (2) in Kontakt steht, wobei der Grundkörper in einem generativen Fertigungsverfahren erzeugt wurde. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Grundkörper und einer Sensorschicht, welche den Grundkörper zumindest teilweise bedeckt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.
  • Aus der DE 199 54 164 A1 ist ein Sensor zur Messung von aktuellen Belastungen bekannt, welche auf die Oberfläche einer mechanischen Komponente einwirken. Als Sensor wird eine piezoresistive, amorphe Kohlenstoffschicht eingesetzt, welche über zugeordnete Leiterbahnen mit einer Einrichtung zur Erfassung des elektrischen Widerstandes verbunden ist. Die Abscheidung langer Leiterbahnen stellt jedoch hohe Anforderungen an die Prozesstechnik und die Schichtqualität. Daher ist die Herstellung der bekannten Bauteile aufgrund einer hohen Ausschussquote aufwändig und teuer. Darüber hinaus sind Leiterbahnen auf der Bauteiloberfläche mechanischen Belastungen oder korrosiven Angriffen ausgesetzt, so dass die Betriebssicherheit der bekannten Bauteile leidet.
  • Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, Bauteile der eingangs genannten Art zuverlässig herzustellen und die Betriebssicherheit solcher Bauteile zu erhöhen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Bauteil mit einem Grundkörper und einer Sensorschicht vorgeschlagen. Das Bauteil kann beispielsweise eine Maschinenbaukomponente sein, wie beispielsweise eine Lagerschale bzw. ein Lagerring, ein Zahnrad oder Teil eines Zahnrades, ein Turbinenrad, eine Turbinenschaufel, eine Nockenwelle, eine Schleifringdichtung oder ein anderes, hier nicht explizit genanntes Bauteil. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Bauteil ein Werkzeug oder ein Teil eines Werkzeuges sein, beispielsweise eine Wendeschneidplatte, ein Fräser, ein Presswerkzeug oder eine Gussform. Das Bauteil weist zumindest einen Grundkörper auf. Der Grundkörper kann aus einem Metall oder einer Legierung, einem Kunststoff oder einer Keramik gefertigt sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Grundkörper aus verschiedenen Materialien gefertigt sein und beispielsweise einen schichtweisen Aufbau aufweisen. Der Grundkörper weist zumindest eine Wirkfläche bzw. eine Wirkzone auf, welche im Betrieb einer Kraft- oder einer Temperatureinwirkung ausgesetzt sein kann. Dementsprechend kann die Wirkfläche beispielsweise die Schneide eines Werkzeuges, die Laufbahn eines Lagers, die Dichtfläche einer Schleifringdichtung oder eine andere Fläche des Grundkörpers sein, welche einer thermischen und/oder mechanischen und/oder korrosiven Belastung ausgesetzt ist.
  • Zumindest ein Teil des Grundkörpers bzw. zumindest ein Teil der Wirkfläche ist mit zumindest einer Sensorschicht versehen. Die Sensorschicht kann dazu eingerichtet sein, eine Temperatur und/oder eine mechanische Belastung und/oder eine Verformung und/oder einen pH-Wert zu erfassen. Hierzu kann die Sensorschicht piezoresistiv und/oder thermoresistiv sein. Somit kann durch Messung des elektrischen Widerstandes der Sensorschicht die Temperatur, der pH-Wert, die einwirkende Kraft oder die Verformung erfasst werden.
  • Weiterhin enthält das Bauteil zumindest eine elektrische Leitung mit einem ersten Ende und einem gegenüberliegenden zweiten Ende. Das erste Ende der Leitung steht mit der Sensorschicht an zumindest einer Stelle in Kontakt, so dass die Messung des elektrischen Widerstandes der Sensorschicht ermöglicht wird. Das gegenüberliegende zweite Ende der elektrischen Leitung ist dazu eingerichtet, direkt oder indirekt mit einer Strom- oder Spannungsquelle oder einem Messgerät verbunden zu werden. Im Falle einer indirekten Verbindung kann das zweite Ende der elektrischen Leitung mit einem Steckverbinder, einem Schleifring oder einem aktiven oder passiven Bauelement verbunden sein.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die elektrische Leitung in den Grundkörper einzubetten, so dass das erste Ende zumindest teilweise an der Wirkfläche des Grundkörpers hervortritt, so dass beim Beschichten des Grundkörpers mit der Sensorschicht ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Ende der elektrischen Leitung und der Sensorschicht erzeugt wird. Das zweite Ende der elektrischen Leitung verlässt den Grundkörper an einer vorgebbaren Stelle, welche zum Anschluss einer Strom- oder Spannungsquelle oder eines Messgerätes vorgesehen ist. Hierdurch ist die elektrische Leitung innerhalb des Bauteiles geschützt angeordnet. Eine mechanische oder korrosive Beschädigung der elektrischen Leitung während es Betriebs des Bauteils ist damit ausgeschlossen oder zumindest reduziert. Weiterhin kann der Querschnitt der elektrischen Leitung gegenüber einer strukturierten Dünnschicht vergrößert sein, so dass der elektrische Widerstand bzw. elektrische Verluste der Leitung reduziert sein können. Darüber hinaus kann eine elektrische Leitung mit größerem Querschnitt zuverlässiger hergestellt werden, so dass bei der Herstellung des Bauteils weniger Ausschuss produziert wird.
  • Erfindungsgemäß kann der Grundkörper zumindest ein Polymer enthalten oder daraus bestehen. Ein solches Polymer kann mit oder ohne eingebrachte Faserverstärkung in einem generativen Fertigungsverfahren in an sich bekannter Weise verarbeitet werden, beispielsweise durch lagenweises Auftragen des verflüssigten Polymers mittels einer Düse oder durch Aufschmelzen eines Pulvers durch lokale Wärmeeinwirkung, beispielsweise durch Laserstrahlung. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe generatives Fertigungsverfahren und 3D-Druckverfahren bzw. 3D-Druck synonym verwendet.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Grundkörper zumindest ein Metall oder zumindest eine Legierung enthalten oder daraus bestehen. Ein solcher Grundkörper kann derzeit bekannte Bauteile, welche beispielsweise durch spanende Bearbeitung oder als Gussteil hergestellt sind, nahezu identisch ersetzen, da aufgrund des identischen oder ähnlichen Werkstoffes identische oder ähnliche mechanische und thermische Eigenschaften erhalten werden. Auch ein metallischer Werkstoff kann in einem generativen Fertigungsverfahren in an sich bekannter Weise verarbeitet werden, beispielsweise durch Aufschmelzen eines Pulvers durch lokale Wärmeeinwirkung, beispielsweise durch Laserstrahlung.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Grundkörper zumindest eine Keramik enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann aus Keramikpartikeln mit einer vollständigen oder teilweisen Umhüllung aus einem Polymer durch Erwärmen und Aufschmelzen des Polymers ein Grünling mittels 3D-Druck hergestellt werden. Dieser solchermaßen hergestellte Grünling kann sodann durch Sintern zum fertigen Bauteil nachbearbeitet werden.
  • Ein Grundkörper aus einem Polymer oder einer Keramik kann ein elektrischer Isolator mit einem spezifischen Widerstand mit der als 106 Ω·cm oder mehr als 107 Ω·cm oder mehr als 108 Ω·cm sein oder solches Material enthalten, so dass auch mehrere elektrische Leiter im Grundkörper eingebettet werden können, ohne dass es zu unerwünschten Kurzschlüssen kommt.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Sensorschicht Chrom enthalten oder daraus bestehen. Eine solche Sensorschicht kann thermoresistiv sein und zur Temperaturerfassung in der Wirkzone bzw. auf der Wirkfläche verwendet werden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Sensorschicht Diamond-Like Carbon (DLC) enthalten oder daraus bestehen. Eine DLC-Schicht kann sowohl piezoresistiv als auch thermoresistiv sein und auf diese Weise mechanische Spannung bzw. Verformung und Temperatur gleichermaßen erfassen. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird unter DLC eine überwiegend sp3-hybridisierte Kohlenstoffmodifikation nach VDI 2840 verstanden. Im Gegensatz zu Diamant ist die DLC-Schicht amorph. Die DLC-Schicht kann neben Kohlenstoff zusätzlich Wasserstoff oder zumindest ein Metall enthalten, um den elektrischen Widerstand auf vorgebbare Sollwerte einzustellen oder die mechanische Härte an gewünschte Eigenschaften anzupassen und/oder um die Haftfestigkeit auf dem Bauteil zu erhöhen.
  • Die Sensorschicht kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Sensorschicht, insbesondere in Form einer DLC-Schicht, mittels eines CVD-Verfahrens aufgebracht werden. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Sensorschicht durch thermisches Spritzen, durch ein Atmosphärendruckverfahren, eine außenstromlose Beschichtung und/oder eine galvanische Beschichtung erzeugt werden. Fallweise können zwischen dem Grundkörper bzw. der Wirkfläche und der Sensorschicht optionale Zusatzschichten eingebracht werden, welche beispielweise eine elektrische Isolierung der Sensorschicht vom Grundkörper ermöglichen oder welche die Haftfestigkeit der Sensorschicht erhöhen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auf der Sensorschicht eine Deckschicht angeordnet sein, welche einen korrosiven Angriff auf die Sensorschicht verhindert oder reduziert. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Deckschicht im Falle eines tribologisch belasteten Bauteils die Reibung der Sensorschicht bzw. der Wirkfläche gegenüber einem Reibpartner verringern. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Deckschicht den übermäßigen oder vorzeitigen Verschleiß der Sensorschicht verhindern.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektrische Leitung zumindest ein Metall oder zumindest eine Legierung enthalten oder daraus bestehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektrische Leitung leitfähige Partikel in zumindest einem Matrixmaterial enthalten oder daraus bestehen. Beispielsweise kann ein Polymer mit leitfähigen Partikeln gefüllt sein. Eine Keramik kann mit leitfähigen Partikeln gefüllt oder beschichtet sein. Durch Anwendung eines Multi-Nozzle-Druckverfahrens können somit einzelne Flächen- bzw. Raumbereiche des Grundkörpers aus elektrisch leitfähigem Material gedruckt werden. Andere Flächen bzw. Raumbereiche können mit einem elektrisch isolierenden Material gedruckt werden. Auf diese Weise lassen sich dreidimensionale Leiterbahnen auch in komplexen geometrischen Verläufen in einen isolierenden Grundkörper einbetten, so dass einerseits eine Sensorschicht auch an schwer zugänglichen Wirkflächen kontaktiert werden kann und andererseits die elektrische Leitung durch Einbetten geschützt und mechanisch robust ausgeführt werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektrische Leitung in Form eines Drahtes oder einer Metallschicht bereitgestellt und beim Herstellen des Grundkörpers im generativen Herstellungsprozess eingebettet werden. Hierzu kann eine elektrische Leitung beispielsweise als Draht abgewickelt und dem Grundkörper unmittelbar vor dem Umspritzen bzw. Einbetten mit dem Material des Grundkörpers zugeführt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann eine elektrische Leitung abgelängt, in eine komplexe Form gebracht und im 3D-Druckverfahren bereitgestellt werden, so dass diese spannungsfrei in den Grundkörper eingebettet werden kann.
  • Sofern der Grundkörper selbst aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, kann die elektrische Leitung zumindest abschnittsweise mit einem Isolator umhüllt werden, ehe diese in den Grundkörper eingebettet wird. Hierdurch werden Kurzschlüsse über den Grundkörper vermieden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das zumindest erste Ende der elektrischen Leitung als Kontaktfläche ausgebildet sein. Die Kontaktfläche kann einen größeren Querschnitt aufweisen als der Querschnitt der elektrischen Leitung, so dass die Sensorschicht über eine größere Fläche kontaktiert werden kann. Hierdurch können elektrische Übergangswiderstände zwischen der elektrischen Leitung und der Sensorschicht reduziert sein.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektrische Leitung eine Dicke und/oder eine Breite zwischen etwa 3 µm und etwa 1 mm aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektrische Leitung eine Dicke und/oder eine Breite zwischen etwa 10 µm und etwa 200 µm aufweisen. In wiederum anderen Ausführungsformen kann die elektrische Leitung eine Dicke und/oder eine Breite zwischen etwa 20 µm und etwa 100 µm aufweisen. Dies erlaubt es, elektrische Leitungen auch in kleine Grundkörper einzubringen oder elektrische Leitungen eng bzw. in geringem Abstand zueinander zu führen, so dass die Sensorschicht mit mehreren Leitungen mit großer räumlicher Auflösung ausgelesen werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Sensorschicht eine Dicke zwischen etwa 1 µm und etwa 100 µm aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Sensorschicht eine Dicke zwischen etwa 5 µm und etwa 70 µm aufweisen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Sensorschicht eine Dicke zwischen etwa 10 µm und etwa 50 µm aufweisen. Solche Sensorschichten können die Maßhaltigkeit und/oder die Verformbarkeit des Bauteils nur in geringem Maße beeinträchtigen, so dass bekannte Bauteile ohne Sensorschicht ohne weitere Anpassung der Konstruktion durch die erfindungsgemäßen Bauteile ersetzt werden können.
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
    • 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils in der Ansicht.
    • 2 zeigt die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils im Schnitt.
    • 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils in der Ansicht.
    • 4 zeigt die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils im Schnitt.
  • Anhand der 1 und 2 wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Dargestellt ist ein Bauteil 1, welches beispielsweise Teil eines Lagers, einer Schleifringdichtung, eines Schneidwerkzeuges, oder einer anderen, mechanisch belasteten Komponente sein kann. Dementsprechend ist die in 1 und 2 dargestellte, quaderförmige Geometrie nur beispielhaft zu versehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Bauteil selbstverständlich eine andere, seinem Zweck entsprechende Form aufweisen.
  • 1 zeigt eine teilweise geschnittene, räumliche Darstellung des Bauteils 1. Unmittelbar übereinanderliegende bzw. miteinander in Kontakt stehende Bestandteile der Erfindung sind in 1 nach Art einer Explosionszeichnung auseinandergezogen. 2 zeigt demgegenüber einen Schnitt.
  • Das Bauteil 1 enthält einen Grundkörper 10, welcher beispielsweise aus einem Metall, einer Legierung, zumindest einem Polymer oder einer Keramik hergestellt sein kann. Der Grundkörper 10 kann mittels eines generativen Herstellungsverfahrens bzw. einem 3D-Druck hergestellt werden. Der Grundkörper 10 kann, wie in den Figuren dargestellt, homogen aus einem einzigen Material hergestellt sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Grundkörper 10 aus Einzelschichten unterschiedlichen Materials zusammengesetzt sein, um auf diese Weise die Verschleißfestigkeit und/oder die mechanische Belastbarkeit zu erhöhen oder an vorgebbare Aufgaben anzupassen.
  • Der Grundkörper 10 kann in einen generativen Herstellungsverfahren in der gewünschten Geometrie hergestellt werden, beispielsweise durch partielles Aufschmelzen eines Metallpulvers, durch strangweises Anlegen eines Polymers oder durch Versintern eines Keramikpulvers.
  • Der Grundkörper 10 weist eine Wirkfläche 11 auf, welche bei Betrieb des Bauteils 1 einer Temperatur und/oder einer Kraft ausgesetzt ist. Beispielweise kann die Wirkfläche 11 die Laufbahn eines Lagers, die Dichtfläche einer Schleifringdichtung oder die Kontaktfläche eines Werkzeuges sein.
  • Im Grundkörper 10 ist zumindest eine elektrische Leitung 3 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind schematisch zwei elektrische Leitungen 3 dargestellt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der elektrischen Leitung größer oder auch geringer sein. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung von genau zwei elektrischen Leitungen 3 als Lösungsprinzip.
  • Jede elektrische Leitung 3 weist ein erstes Ende 31 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 32 auf. Das erste Ende 31 endet in einer Kontaktfläche 35, welche einen größeren Querschnitt aufweist als die elektrische Leitung 3. Hierdurch können Übergangswiderstände zur Sensorschicht 2 reduziert sein.
  • Sofern der Grundkörper 10 aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist, kann die elektrische Leitung 3 von einer Isolationsschicht 4 umgeben sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Isolationsschicht 4 auch entfallen, insbesondere wenn der Grundkörper 10 selbst elektrisch isolierend ist. Das zweite Ende 32 der elektrischen Leitung 3 ist dazu vorgesehen, mit einer Messeinrichtung und/oder einer elektrischen Stromquelle und/oder einer elektrischen Spannungsquelle verbunden zu werden, so dass der elektrische Widerstand der Sensorschicht 2 erfasst werden kann.
  • Auf der Wirkfläche 11 ist eine optionale Isolationsschicht 5 angeordnet. Die Isolationsschicht 5 kann beispielsweise ein Oxid oder ein Nitrit oder ein Oxynitrit oder ein Polymer enthalten oder daraus bestehen. Die Isolationsschicht 5 kann selbst wieder einen mehrschichtigen Aufbau aus Einzelschichten aufweisen. Die Isolationsschicht 5 kann mittels eines CVD-Verfahrens zumindest auf der Wirkfläche 11 des Grundkörpers 10 erzeugt werden. Die Isolationsschicht 5 kann Öffnungen 55 aufweisen, durch welche die Kontaktflächen 35 zur Sensorschicht 2 geführt werden können. Auch die Isolationsschicht 5 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung entfallen, insbesondere wenn der Grundkörper selbst aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist.
  • Auf der Isolationsschicht 5 befindet sich die Sensorschicht 2. Die Sensorschicht 2 kann thermoresistiv und/oder piezoresistiv sein. Die Sensorschicht 2 kann beispielsweise Chrom oder Diamond-Like Carbon (DLC) enthalten.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sensorschicht 2 strukturiert, d.h. nach vollflächiger Abscheidung mittels eines Atmosphärendruckverfahrens, eines CVD-Verfahrens, eines PVD-Verfahrens, einer außenstromlosen Abscheidung und/oder einer galvanischen Abscheidung, kann die Sensorschicht 2 durch Maskieren und Ätzen so strukturiert werden, dass diese eine erste Kontaktfläche 21, eine zweite Kontaktfläche 22 und zumindest einen die Kontaktflächen miteinander verbindenden Leiter aufweist. Der Leiter kann flächig ausgeführt werden oder wie in 1 dargestellt, in Form mehrerer Mäander auf der Oberfläche der Isolationsschicht 5 verlaufen. Die ersten und Kontaktflächen 21 und 22 sind mit der Kontaktfläche 35 des elektrischen Leiters 3 verbunden. Im Falle einer Temperaturänderung des Bauteils 1 tritt eine Verformung der mäanderförmig verlaufenden Sensorschicht 2 auf. Sofern eine mechanische Spannung auf den Grundkörper 10 einwirkt, führt auch die Verformung des Grundkörpers 10 zur Verformung der mäanderförmig verlaufenden Sensorschicht 2. Diese Verformung verursacht eine Änderung des elektrischen Widerstandes, welche über ein mit den elektrischen Leitungen 3 verbundenes Messgerät erfasst werden kann.
  • Auf der Sensorschicht 2 kann eine optionale Deckschicht 6 angeordnet sein. Die Deckschicht 6 kann als Verschleißschutzschicht, als Gleitschicht oder als Korrosionsschutzschicht ausgeführt sein und solchermaßen die Sensorschicht 2 vor Beschädigung bewahren und/oder die tribologischen Eigenschaften des Bauteils 1 verbessern.
  • Anhand der 3 und 4 wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
  • Auch das Bauteil 1 gemäß der zweiten Ausführungsform weist einen Grundkörper 10, wie vorstehend beschrieben. Im Grundkörper 10 sind zwei elektrische Leiter 3a, 3b dargestellt, welche jeweils ein erstes Ende 31 und ein zweites Ende 32 aufweisen. Jeder Leiter weist am ersten Ende 31 eine Kontaktfläche 35a bzw. 35b auf. Die Kontaktfläche 35a ist dabei länglich ausgeführt und die Kontaktfläche 35b weist eine runde Grundfläche auf.
  • Da der Grundkörper 10 aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist, beispielsweise einer Keramik, können die elektrischen Leiter 3 ohne zusätzliche Isolationsschicht 4 eingebettet werden. Der Grundkörper 10 und die eingebetteten elektrischen Leiter 3 können in einem Multi-Nozzle-Druckverfahren hergestellt werden, in dem polymerummantelte Keramikpartikel erwärmt und schichtweise aufgetragen werden, um den Grundkörper 10 als Grünling zu fertigen. Durch nachfolgendes Sintern kann daraus ein Keramikkörper hergestellt werden. Die elektrischen Leiter 3 enthalten dabei eine Keramik, welche mit elektrisch leitfähigen Partikeln gefüllt ist, so dass diese nach dem Sintern unmittelbar Kontakt zueinander haben und den elektrischen Strom leiten. Das verbleibende Volumen des Grundkörpers 10 ist mit Keramikpartikeln hergestellt, welche keinen elektrisch leitfähigen Füllstoff enthalten und damit zu einer isolierenden Keramik führen.
  • Da der Grundkörper 10 somit im Wesentlichen elektrisch nichtleitend ausgeführt ist, ist auch die Wirkfläche 11 elektrisch isolierend. Die Sensorschicht 2 kann daher unmittelbar auf der Wirkfläche 11 hergestellt bzw. abgeschieden werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sensorschicht 2 aus piezoresistiven Material gefertigt, so dass diese bei Einwirken einer mechanischen Kraft bzw. einer Verformung eine Änderung des elektrischen Widerstands erfährt. Eine weitergehende Strukturierung ist daher nicht notwendig. Die Sensorschicht 2 kann als vollflächige Beschichtung auf der Wirkfläche 11 angeordnet werden. Die Sensorschicht 2 weist eine Öffnung 25 auf, durch welche die Kontaktfläche 35a des Leiters 3a an die der Wirkfläche 11 abgewandte Seite der Sensorschicht 2 geführt ist.
  • Auf der Sensorschicht 2 ist eine elektrisch leitfähige Schicht als Gegenelektrode angebracht. Die Gegenelektrode 7 kann beispielsweise ein Metall oder eine Legierung enthalten und kann durch an sich bekannte Verfahren, wie beispielsweise ein PVD-Verfahren, Sputtern, thermisches Spritzen oder ähnliche Verfahren aufgebracht werden.
  • Auf der Gegenelektrode 7 kann wiederum eine optionale Deckschicht 6 angeordnet werden, wie vorstehend beschrieben. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass eine solche Deckschicht 6 auch entfallen kann, wenn diese für den Betrieb des Bauteils 1 nicht erforderlich ist.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19954164 A1 [0002]

Claims (13)

  1. Bauteil (1) mit einem Grundkörper (10) und einer Sensorschicht (2), welche den Grundkörper (10) zumindest teilweise bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) weiterhin zumindest eine elektrische Leitung (3) mit einem ersten Ende (31) und einem gegenüberliegenden zweiten Ende (32) aufweist, welche zumindest teilweise in den Grundkörper (10) eingebettet ist und deren erstes Ende (31) mit der Sensorschicht (2) in Kontakt steht, wobei der Grundkörper in einem generativen Fertigungsverfahren erzeugt wurde.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper ein Polymer enthält oder daraus besteht und/oder dass der Grundkörper zumindest ein Metall oder zumindest eine Legierung enthält oder daraus besteht und/oder dass der Grundkörper zumindest eine Keramik enthält oder daraus besteht.
  3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (2) piezoresistiv und/oder thermoresistiv ist und/oder dass die Sensorschicht (2) Chrom und/oder DLC enthält oder daraus besteht.
  4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine elektrische Leitung (3) zumindest ein Metall oder zumindest eine Legierung enthält oder daraus besteht und/oder dass die zumindest eine elektrische Leitung (3) leitfähige Partikel in zumindest einem Matrixmaterial enthält oder daraus besteht.
  5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin enthaltend eine Isolationsschicht (4), welche die zumindest eine elektrische Leitung (3) in zumindest einem Längsabschnitt umgibt.
  6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Ende (31) der elektrischen Leitung (3) als Kontaktfläche (35) ausgebildet ist.
  7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitung (3) eine Dicke und/oder eine Breite zwischen etwa 3 µm und etwa 1 mm oder zwischen etwa 10 µm und etwa 200 µm oder zwischen etwa 20 µm und etwa 100 µm aufweisen und/oder dass die Sensorschicht (2) eine Dicke zwischen etwa 1 µm und etwa 100 µm oder zwischen etwa 5 µm und etwa 70 µm oder zwischen etwa 10 µm und etwa 50 µm aufweist.
  8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (2) zur Erfassung von Druck und/oder Temperatur und/oder Verformung und/oder pH-Wert eingerichtet ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) mit folgenden Schritten: Herstellen eines Grundkörpers (10), welcher zumindest eine elektrische Leitung (3) mit einem ersten Ende (31) und einem gegenüberliegenden zweiten Ende (32) enthält, welche zumindest teilweise in den Grundkörper (10) eingebettet ist und deren erstes Ende (31) an einer Außenfläche des Grundkörpers (10) exponiert ist, wobei zumindest der Grundkörper (10) mittels eines generativen Fertigungsverfahren hergestellt wird Aufbringen einer Sensorschicht (2), welche den Grundkörper (10) zumindest teilweise bedeckt, so dass diese zumindest mit dem ersten Ende (31) der elektrischen Leitung (3) in Kontakt steht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitung (3) mittels eines generativen Fertigungsverfahren hergestellt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (2) piezoresistiv und/oder thermoresistiv ist und/oder dass die Sensorschicht (2) Chrom und/oder DLC enthält oder daraus besteht und/oder dass die Sensorschicht (2) mittels eines PVD-Verfahrens oder eines CVD-Verfahrens oder durch thermisches Spritzen oder durch ein Atmosphärendruckverfahren oder durch eine außenstromlose Beschichtung oder durch eine galvanische Beschichtung erzeugt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitung (3) mit einer Dicke und/oder einer Breite zwischen etwa 3 µm und etwa 1 mm oder zwischen etwa 10 µm und etwa 200 µm oder zwischen etwa 20 µm und etwa 100 µm hergestellt wird und/oder dass die Sensorschicht (2) mit einer Dicke zwischen etwa 1 µm und etwa 100 µm oder zwischen etwa 5 µm und etwa 70 µm oder zwischen etwa 10 µm und etwa 50 µm hergestellt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörpers (10) und die zumindest eine elektrische Leitung (3) durch schichtweises Auftragen von Materialien mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit mittels eines 3D-Druckes erzeugt werden.
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