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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors, wobei sich der Sensor insbesondere auf einer Welle befindet, wobei der Sensor insbesondere zur Messung eines Drehmomentes dient. Die Erfindung betrifft ebenso ein Messobjekt, wie zum Beispiel eine Welle mit dem Sensor.
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Zum Messen eines Drehmomentes einer Welle, kann ein Sensor verwendet werden. Dieser Sensor ist beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen (DMS). Dehnungsmessstreifen können in einer Dünnschichttechnologie gefertigt werden, wobei der Dehnungsmessstreifen nach dessen Fertigung auf das Messobjekt, wie dies z.B. eine Welle ist, beispielsweise aufgeklebt wird. Dies erfordert eine hohe Sorgfalt. Weiterhin ist die Fertigung des Dehnungsmessstreifen, also des Sensors, örtlich von der Positionierung des Sensors getrennt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Verwendung eines Sensors auf einem Objekt zu vereinfachen.
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Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich bei einem Verfahren gemäß Anspruch 1. Eine weitere Lösung ergibt sich bei einem Messobjekt gemäß Anspruch 12. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich beispielsweise gemäß der Ansprüche 2 bis 11 und 13 bis 14.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Sensors auf einem Objekt, wird der Sensor schichtweise aufgebaut, wobei das Objekt zum Aufbau des Sensors bewegt wird. Wird das Objekt bewegt, auf welches der Sensor schichtweise aufgetragen wird, kann der schichtweise Auftrag erleichtert werden. So kann ein Auftrag auf unebenen bzw. runden Flächen erleichtert werden, ohne dass eine komplexe Kinematik für einen Spender des aufzutragenden Materials notwendig ist. So ist es z.B. einfacher eine Schicht auf eine ebene Fläche zu bringen, als auf eine gewölbte. Dies betrifft insbesondere den Fall eines 3D-Drucks, welcher auf einer ebenen Fläche leichter ist. Bei einer ebenen Fläche sind zwei bzw. drei lineare Achsen für einen Druckkopf und/oder eine Druckmatrize ausreichend.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Sensors auf einem Objekt können die aufzutragenden Schichten insbesondere flächig aufgetragen werden. Dabei kann das Objekt selbst fixiert sein oder zum Aufbau des Sensors, also zur Ausbildung der Schichten, wie obig beschrieben auch bewegt werden. Eine Metallschicht wird insbesondere nur an den Stellen gesintert, wo der Sensor entstehen soll und die restlichen Bereiche der Metallschicht werden von einem Laser wieder entfernt. Der Sensor kann dabei als ein Dehnungsmessstreifen (DMS) ausgebildet sein. Der DMS braucht also nicht mehr vorgefertigt werden. Demnach ist der DMS auch nicht mehr auf ein Messobjekt, wie eine Welle aufzukleben. So kann insbesondere gegenüber dem Kleben eine höhere Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit erreicht werden. Dadurch kann evtl. eine Kalibrierung der Welle entfallen.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren wird das Objekt gedreht. Das Objekt ist insbesondere eine Welle. Der Sensor dient insbesondere der Messung des Drehmomentes an der Welle. Die Welle ist beispielsweise eine Welle eines Getriebes, einer elektrischen Maschine, einer Windkraftanlage, etc. Der Sensor befindet sich beispielsweise in einer in die Welle eingebrachten Nut. Der Sensor kann aber auch beispielsweise unabhängig von einer Nut auf der Welle aufgebracht sein. Der Sensor entsteht also auf der Welle. Der Sensor kann an eine Telemetrie angeschlossen sein, um z.B. das Drehmomentsignal von der drehenden Welle an eine Auswerteeinheit zu schicken. Der Sensor kann über Funk und/oder über ein Kabel angeschlossen sein. Wird der Sensor direkt auf der Welle gefertigt, so entfällt ein Verkleben eines vorgefertigten Sensors auf der Welle. So können auch Ungenauigkeiten beim Verkleben des Sensors und damit Ungenauigkeiten bei der Positionierung eines vorgefertigten Sensors vermieden werden.
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Wird bei dem Verfahren zur Herstellung des Sensors auf einem Objekt, der Sensor schichtweise aufgebaut, wobei das Objekt bewegt wird, kann insbesondere ein 3D-Druck des Sensors vereinfacht werden, wenn das Objekt nicht eben ist. Eine Welle ist ein Beispiel für ein nicht ebenes Objekt. So können Sensoren auf Wellen unterschiedlicher Durchmesser in einfacher Weise gefertigt werden, also insbesondere unter Einbindung eines 3D-Druckverfahrens hergestellt werden, ohne dass ein komplexes 3-dimensionales Handhabungsgerät notwendig ist, wie dies z.B. ein Roboter mit 4 bis 6 Achsen ist. So kann insbesondere Aufwand und Kosten reduziert werden, wenn bei der Herstellung des Sensors auf der Welle diese Welle gedreht wird.
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Mit dieser Technik des Bewegens bzw. Drehens des Objektes (z.B. einer Welle), auf welches der Sensor sein soll, ist insbesondere ein wesentlich einfacheres und billigeres Installationsgerät für die Applikation von gedruckten DMS möglich, da die Dispenser beim Auftragen der Schichten nicht mehr im Raum bewegt werden müssen, sondern beispielsweise beim Druckvorgang nur noch in eine Richtung bzw. in einer Achse.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren wird auf dem Objekt ein erstes Isoliermaterial aufgebracht. Dies ist insbesondere dann angebracht, wenn das Messobjekt auf dem der Sensor sein soll elektrisch leitend ist.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren wird das erste Isoliermaterial gehärtet. Eine Härtung kann beispielsweise durch die Applikation von UV-Licht durchgeführt werden. Die Art der Härtung ist insbesondere vom Materialtyp abhängig.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren wird auf dem ersten Isoliermaterial ein Leitermaterial aufgebracht. Dieses Leitermaterial dient der Ausbildung von elektrischen Leiterbahnen. Durch diese kann ein Messgitter ausgebildet werden.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren wird das Leitermaterial gesintert. Die Sinterung kann beispielsweise mittels eines Lasers durchgeführt werden.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren wird ein Teil des Leitermaterial zur Erzeugung von Leiterbahnen entfernt, wobei insbesondere ein Messgitter erzeugt wird. Mit diesem Messgitter können insbesondere Belastungen des Messobjektes erkannt werden, woraus beispielsweise ein Drehmoment ermittelbar ist. Zum Entfernen des Leitermaterials wird beispielsweise ein Laser verwendet.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren wird ein zweites Isoliermaterial auf das Leitermaterial und/oder auf das erste Isoliermaterial aufgebracht wird. Dadurch kann das Leitermaterial geschützt bzw. elektrisch isoliert werden.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren wird das zweite Isoliermaterial gehärtet. Dadurch wird der Schutz der Leiterbahnen verbessert.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren bildet das Leitermaterial Kontaktanschlussflächen aus. So können Leiterbahnen bestromt werden.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren ist das Objekt eine Welle, wobei der Sensor insbesondere zur Messung eines Drehmomentes vorgesehen ist, wobei die Welle insbesondere ein Messobjekt ist, wobei das Messobjekt elektrisch leitend ist.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren ist der Sensor mit dem Messobjekt untrennbar verbunden. Ein Entfernen des Sensors vom Messobjekt würde also die Zerstörung des Sensors bedeuten.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren weist das Messobjekt als ein Grundmaterial Edelstahl, wie Edelstahl 1.4301 (RZ < 25µm), auf. Vor dem Aufbringen eines ersten Isoliermaterials kann eine Reinigung der Oberfläche erfolgen, z.B. mit Laser Reinigung. Mit dem ersten Isoliermaterial kann eine Isolierschicht erzeugt werden. Das erste Isoliermaterial ist beispielsweise Ormocer, das sich wie ein Polymer auftragen lässt. Die Dicke ist beispielsweise im Bereich von 100µm. Als ein Auftragsverfahren kann mit einem Verfahren unter Verwendung eines Dispenser gearbeitet werden. Zur Aushärtung mit UV-Strahler, erfolgt beispielsweise eine Bestrahlung der Schicht von 30 Sekunden.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren wird eine Vielzahl von Messgittern erzeugt. Insbesondere werden 3 bis 4 Messgitter erzeugt. So kann die Belastung des Objektes in verschiedenen Dimensionen erkannt werden.
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In einer Ausgestaltung zumindest eines der Verfahren wird als ein Leitermaterial, also als ein Material zum Leiten elektrischer Ströme, Silber (z.B. Silber 500nm) verwendet. Als ein Auftragsverfahren kann zum Beispiel ein Inkjet Drucker verwendet werden. Zur Verfestigung kann mit Lasersintern gearbeitet werden. Zur Isolierung des Leitermaterials können eine oder mehrere Deckschichten (zum Beispiel 5-6 Deckschicht) appliziert werden. Derart sind eine oder mehr Isolierschichten (insbesondere ein bis zwei Isolierschicht) ausbildbar. Ein elektrischer Anschluss kann mit einem Leitkleber realisiert werden.
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Ein Messobjekt weist einen Sensor auf, wobei der Sensor in Schichten auf dem Messobjekt aufgebracht ist. Das Messobjekt ist beispielsweise eine Welle, ein Transmissionselement, ein Gehäuse, ein Planetenträger. Die Welle kann beispielsweise in einem Getriebegehäuse sein oder auch außerhalb. Der Sensor ist insbesondere ein Drehmomentsensor. Der Sensor ist insbesondere unlösbar mit dem Messobjekt verbunden.
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In einer Ausgestaltung des Messobjektes weist der Sensor Leiterbahnen auf, welche durch einen Abtrag von Leitermaterial erzeugt sind. Dies vereinfacht den Auftrag von Leitermaterial, da dieser Auftrag großflächig und/oder linear ausgeführt werden kann. Aus einer Vielzahl nebeneinander liegende lineare Aufträge lässt sich auch ein Flächenauftrag erzielen. Der Abtrag des Leitermaterials erfolgt beispielsweise durch einen Laser. So kann eine präzise Leiterbahngestaltung zur Ausbildung beispielsweise eines Messgitters gewährleistet werden.
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In einer Ausgestaltung des Messobjektes, welches einen Sensor aufweist, wird dieses nach einem der beschriebenen Verfahren erzeugt. So kann insbesondere eine Welle beim Auftragen von Schichtmaterial (Isoliermaterial bzw. Leitermaterial) gedreht werden, um auch bei einem kreisförmigen Körper ein einfaches Aufbringen des Materials mit einer geringen Anzahl von Achsen für die Maschine, welche das Material aufträgt zu erreichen.
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Die Merkmale der einzelnen beanspruchten bzw. beschriebenen Gegenstände sind ohne Weiteres miteinander kombinierbar. Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von Figuren näher dargestellt und erläutert. Die in den Figuren gezeigten Merkmale können fachmännisch zu neuen Ausführungsformen kombiniert werden, ohne die Erfindung zu verlassen. Es zeigen
- 1 Verfahrensschritte zur Herstellung eines Sensors;
- 2 ein Messgitter und
- 3 ein Getriebe mit Wellen.
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Die Darstellung nach Figur eins zeigt Verfahrensschritte zur Herstellung eines Sensors 69. Hierfür sind ein erster Schritt 1, ein zweiter Schritt 2, ein dritter Schritt 3, ein vierter Schritt 4 und ein fünfter Schritt 5 vorgesehen. Die Schritte können, müssen jedoch nicht unmittelbar aufeinander erfolgen. Des Weiteren kann, aber muss nicht jeder Schritt ausgeführt werden. Ein Messobjekt 6, insbesondere eine Welle, ist zur Ausführung einer Drehbewegung 9 um eine Achse 8 drehbar gelagert. Beispielsweise wird die mit einem Sensor (ist insbesondere ein DMS) zu applizierende Welle auf eine Vorrichtung (z.B. Rollenbock) gelegt, die eine gesteuerte Drehbewegung der Welle ermöglicht. Während die Schritte 1 bis 5 ausgeführt werden, kann die Welle gedreht werden. So kann beispielsweise immer am gleichen Ort im Raum ein Materialauftrag, eine Material Härtung, eine Sinterung, und oder eine Laserbehandlung ausgeführt werden, wobei sich durch das Drehen der Welle bzw. des Messobjektes, auf dem der Sensor zu platzieren ist, der Vorgang auf den gesamten Umfang der Welle erstrecken kann. Die Welle 6 weist eine Nut 7 auf. Mittels einer Materialauftragseinrichtung 11 wird Isoliermaterial 2 auf dem Nutgrund, welcher eine Basis 4 bildet aufgetragen. Die Materialauftragseinrichtung 11 kann zumindest in einer ersten Richtung bzw. in einer ersten Achse 14, sowie insbesondere in einer zweiten Richtung bzw. in einer zweiten Achse 15 bewegt werden. Im ersten Schritt 1 erfolgt ein Auftrag 16 von Isoliermaterial 2 mittels eines Spenders 12, insbesondere eines Kanühlenspenders (Nadelspenders), auf die Basis 4. In einem weiteren Prozessschritt erfolgt eine Härtung 17 des aufgebrachten Isoliermaterials 2 mittels einer Lichtquelle 13, insbesondere mittels UV-Licht.
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In einem zweiten Schritt 2 wird mittels einer Materialauftragseinrichtung 21 Leitermaterial 60 auf das Isoliermaterial aufgetragen 2. Die Materialauftragseinrichtung 21 kann zumindest in einer ersten Richtung bzw. in einer ersten Achse 14, sowie insbesondere in einer zweiten Richtung bzw. in einer zweiten Achse 15 bewegt werden. Das Leitermaterial 60 ist elektrisch leitend. Beim Auftrag 26 wird mittels eines Spenders 22 (zum Beispiel einem 3D Druckkopf) das Leitermaterial 60 flächig bzw. im Streifen aufgetragen. Gegebenenfalls kann schon ein Messgitter aufgedruckt werden. Es ist aber auch möglich hier noch kein Messgitter aufzudrücken, sondern lediglich einen flächigen Auftrag auszuführen. Das Messgitter kann auch erst im dritten oder vierten Schritt erzeugt werden.
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In einem dritten Schritt 3 wird ein Laser 33 zur Sinterung 31 des Leitermaterials 60 verwendet. Hierfür wird ein Laserstrahl 32 in einer Schwenkbewegung 5 über das Leitermaterial 60 geführt. Die Sinterung erfolgt beispielsweise flächig über den gesamten Umfang oder beispielsweise auch nur dort über den Umfang, wo sich eine Leiterbahn ausbilden soll.
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In einem vierten Schritt 4 trägt der Laser 33 durch eine Schwenkbewegung 5 des Laserstrahls 42 Leitermaterial 60 ab. Sowohl in Schritt drei 3 wie auch im Schritt vier 4 kann der Laser 33 ortsfest bleiben, da das Messobjekt 6 rotiert wird. Durch den Prozess des Materialienabtrags 41 kann eine Leiterstruktur zur Ausbildung eines Messgitters 65 entstehen. In einem fünften Schritt 5 erfolgt ein Materialauftrag 51 zumindest auf das Leitermaterial 60, wobei das aufgetragene Material ein Isoliermaterial 3 ist. Das Isoliermaterial isoliert elektrisch. Das Isoliermaterial 3 wird mittels eines Spenders 52 aufgetragen 57 und mittels einer Lichtquelle 53 (insbesondere UV-Licht) eine Härtung 57 unterzogen.
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Die Darstellung nach Figur zwei zeigt ein Messgitter 65, welches aus Leiterbahnen ausgebildet ist. Die Leiterbahnen befinden sich zwischen dem Isoliermaterial 2 und 3, wobei das Isoliermaterial 3 insbesondere durchsichtig ist. Zum Anschluss des Messgitters 65 sind Kontaktanschlussflächen 62,63 und 64 vorgesehen.
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Die Darstellung nach Figur drei zeigt ein Getriebe 66 mit einer Antriebswelle 67 und eine Abtriebswelle 68. Mit den geschilderten Verfahren können an derartigen Wellen sowie auch an anderen Wellen Sensoren angebracht bzw. aufgebracht werden. Hierzu sind dann beispielsweise obige und/oder folgende Arbeitsschritte durchzuführen:
- • Auftragen eine Isolierschicht mit einer Dicke von ca. 100µm bei drehender Welle in einer Nut auf der Welle; Dazu wird ein Dispenser axial vor die Nut positioniert und muss dann radial an die Welle herangefahren werden; Bei drehender Welle bringt dann der Dispenser die Isolierschicht auf; Anschließend wird die Isolierschicht mit UV Licht ausgehärtet.
- • Im zweiten Schritt wird eine Metallschicht mit einer Dicke von ca. 0,5µm nach dem gleichen Prinzip aus Schritt 1 aufgebracht.
- • In Schritt 3 wird die Metallschicht an den Stellen mit einem Laser gesintert, wo der Sensor, insbesondere ein DMS, entstehen soll.
- • Nach dem Sintern werden die nicht benötigten Bereiche der Metallschicht mit einem Laser entfernt (gereinigt).
- • Der letzte Schritt ist die Aufbringung einer Isolationsschicht analog zu Schritt 1; Jedoch wird die Isolationsschicht nicht auf dem gesamten Umfang aufgebracht, um einen Bereich für den elektrischen Anschluss 62, 63 und 64 des Sensors freizulassen. An diesen Anschlüssen 62,63 und 64 kann eine Telemetrie angeschlossen werden.
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Mit diesen Verfahrensschritten ist ein einfaches und günstiges Installationsgerät für die Applikation von gedruckten Sensoren wie einem DMS möglich, da die Dispenser beim Auftragen der Schichten nicht mehr im Raum bewegt werden müssen sondern nur noch in eine Richtung bzw. in einer und/oder zwei Achsen zu bewegen sind.
