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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Gussbauteil mit integrierten
Funktionselementen. Die Gussbauteile enthalten insbesondere Sensoren,
Aktoren und temperaturempfindliche Funktionselemente, d.h. Funktionselemente
die nicht oder nicht für
die Dauer des verwendeten Gussverfahrens temperaturbeständig sind.
Die Erfindung ermöglicht
die Integration von Funktionselementen in metallische Gussteile (während des
Gießprozesses)
als Permanentkern. Erfindungsgemäß wird also
die Möglichkeit
eröffnet, die
Funktion von Gussstücken
von der individuellen Kennzeichnung bis hin zur integrierten Belastungsüberwachung
zu erweitern.
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Nach
dem Stand der Technik ist kein Verfahren bekannt, mit dem derartige
Sensoren, Aktoren und temperaturempfindlichen Funktionselemente
in einem Gussbauteil angeordnet werden können, ohne dass während des
Gussverfahrens die Funktionsfähigkeit
dieser Funktionselemente verloren geht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen
Nachteil zu überwinden und
ein Bauteil anzugeben, in dem Funktionselemente eingegossen sind,
die auch nach dem Vergießen der
Metallschmelze noch funktionstüchtig
sind.
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Diese
Aufgabe wird durch das Bauteil nach Anspruch 1 gelöst. Unteransprüche geben
vorteilhafte Weiterbildungen an.
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Die
erfindungsgemäßen Bauteile
zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein oder mehrere eingegossene
Funktionselemente enthalten.
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Als
Funktionselemente kommen insbesondere adaptronische Sensoren und/oder
adaptronische Aktoren (z. B. Piezokeramiken) sowie temperaturempfindliche
Funktions elemente in Betracht. Diese Funktionselemente können beispielsweise
auch elektronische Baugruppen sein, die aktiv oder passiv mit Energie
versorgt werden, z.B. über
nach außen aus
dem Bauteil abgeführte
Kabel, über
Induktion, eine integrierte Batterie, einen Kondensator oder über eine
mechanische, autarke Bewegungseinheit. Die Verbindung zum Empfänger/Sender
oder einer externen Energiequelle außerhalb des Gussstückes kann
dabei insbesondere über
aus dem Gussstück ausgeführte Leitungen
oder ohne direkte Kabelverbindung (telemetrisch/wireless) erfolgen.
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Bei
einer Übertragung über Kabel
kann das Gussstück
selber als Anschluss bzw. Leitung dienen und eine Phase ersetzen.
Für die
drahtlose Übertragung
können
elektronische Komponenten, mittels derer eine Übertragung durch Infrarot oder
Funk (z.B. Bluetooth) möglich
ist, oder auch Transponder bzw. RFID eingesetzt werden.
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Die
Funktionselemente können
einzeln oder in Kombination integriert werden; neben Bauteilen mit
integrierten Funktionselementen für eine Bauteilidentifizierung,
sensorischen Bauteilen und aktorischen Bauteilen sind auch intelligente
Bauteile mit integrierter Datenerfassung, Verarbeitung und Regelung
herstellbar.
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Einsatzgebiete
für die
erfindungsgemäßen Bauteile
sind zum Beispiel hochbelastete Sicherheitsbauteile, deren Belastungszustand
und Belastungsgeschichte mit den enthaltenen Funktionselementen
permanent erfasst und beeinflusst werden kann. Damit kann eine erhöhte Sicherheit
gegen Bauteilversagen im Betrieb erzielt werden und ein Leichtbau
durch Anpassung von Sicherheitsfaktoren an die realen Umstände erfolgen.
Als Beispiele sind Anwendungen in Kraftfahrzeugen und der Luftfahrt zu
nennen, etwa Motorblöcke
oder Fahrwerksteile von Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen. Hier können mit
Sensoren die im Betrieb aufkommenden Belastungen erfasst und gespeichert
werden, um z.B. eine Meldung bei einsetzender Bauteilschädigung,
oder bei Überlastung
des Bauteils über
Kabel, Funk oder Induktion an die Fahrzeugelektronik gemeldet werden.
Bei Einsatz von Aktoren können
gezielt Schwingungen in das Bauteil eingebracht werden. Durch Kombination
mit Sensoren und elektronischen Reglern lassen sich dadurch Bauteilschwingungen
unterdrücken.
Durch die Kombination mit einem Speichermodul wird es möglich die
Lebensgeschichte des Bauteils zu erfassen.
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Ein
weiteres Anwendungsgebiet ist die Prüftechnik von Bauteilen und
die Bauteilentwicklung, da durch die Integration der Funktionselemente
auftretende Kräfte
direkt im Bauteil erfasst und aufgezeichnet werden können.
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Die
zu integrierenden Funktionselemente werden vor dem Abguss in einer
Gussform positioniert und während
des Gießvorgangs
durch die Metallschmelze umhüllt.
Die in den Bauteilen eingegossenen Funktionselemente sind dann bevorzugt
vollständig
von vergossenem Metall umgeben. Erfindungsgemäß sind allerdings auch Bauteile
umfasst, bei denen das vergossene Metall das Funktionselement nicht
vollständig
umgibt – etwa
weil ein Auslass für
etwaige nach außen
zu führende
Kabelverbindungen, dielektrische Spalte für RFIDs o.ä. vorgesehen bzw. nötig ist.
Bei einer teilweisen Umhüllung
der Elemente und einer direkten Verbindung zur Bauteiloberfläche über die
eingegossenen Elemente oder die Umhüllung können die Auslässe auch
für die
Datenübertragung
durch optische oder induktive Signale genutzt werden.
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Vorteilhafterweise
sind derartige Auslässe am
Bauteil aber auf den maximal nötigen
Anschlussbereich bzw. Funktionsbereich beschränkt. Bevorzugt weist das vergossene
Metall im Bereich der Funktionselemente eine einheitliche Gefügestruktur auf,
so dass dort keine unerwünschten "Sollbruchstellen" auftreten.
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Zur
Vermeidung einer Beschädigung
der zu integrierenden Elemente durch einen zu hohen Wärmeeintrag
stehen – falls
erforderlich – verschiedene Möglichkeiten
entsprechend der eingesetzten Elemente zur Auswahl.
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Funktionselemente,
die von Haus aus eine hohe kurzzeitige Temperaturbelastung tolerieren, insbesondere
elektronische oder Piezoelektrische Elemente, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren üblicherweise
direkt ohne weitere Maßnahmen
eingegossen werden.
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Sind
die Spitzentemperaturen, wie sie z.B. beim Aluminium- und Magnesiumguss
auftreten, zu hoch oder ist die Temperaturempfindlichkeit des einzugießenden Funktionselements
zu groß,
so kann der Wärmeeintrag
in die zu integrierenden Komponenten reduziert werden, indem – insbesondere
in den Bereichen, in denen sich Funktionselemente befinden – über die
Gießform
die Wärme
durch geeignete Temperierungsmaßnahmen,
wie Kühlelemente oder
Heiz-Kühlgeräte abgeführt wird.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann zum Schutz der Funktionselemente eine Umhüllung aus einem thermisch isolierenden
Material (thermische Kapselung) vorgenommen werden bzw. ein derartig
umhülltes
Funktionselement für
ein Verfahren verwendet werden bei dem ein gegebenenfalls mit einer
Schutzschicht zumindest teilweise umhülltes Funktionselement in der
Kavität
einer Gussform positioniert wird und anschließend mittels eines Gussverfahrens
mit einem Metall umgossen wird, wobei die Positionierung in der
Gussform so gewählt
wird, dass die Strömungsgeschwindigkeit
der zu vergießenden
Metallschmelze im Bereich des Funktionselements niedrig ist.
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Hierdurch
wird der Wärmeeintrag
in die zu integrierenden Elemente unter die max. zulässige Wärmemenge
reduziert. Als Schutzschicht wird bevorzugt eine Masse mit geringer
Wärmeleitfähigkeit
eingesetzt. Geeignete Schutzschichtmaterialien sind insbesondere
Kunststoff, Keramik oder niedrigschmelzende Metalllegierungen (d.h.
Legierungen deren Schmelzpunkt bzw. deren Solidustemperatur und
bevorzugt auch deren Liquidustemperatur unterhalb der Temperatur
liegt, ab der die Funktionselemente in ihrer Funktion durch die
eingebrachte Energie dauerhaft beeinträchtigt werden). Als niedrigschmelzende
Metalllegierungen sind z.B. Legierungen, die Bismut (bevorzugt mehr
als 50 Gew.-%) enthalten geeignet. Die Schutzschicht kann sich während des
Gussvorgangs und gegebenenfalls auch des Erstarrungsvorgangs in
der vergossenen Metallschmelze auflösen (insbesondere eine Schutzschicht aus
einer niedrigschmelzenden Metalllegierung) oder dispergieren (insbesondere
wenn bei schnelleren Strömungsgeschwindigkeiten
der vergossenen Metallschmelze Partikel der Schutzschicht mitgerissen werden),
sie kann aber auch – zumindest
zum Teil – auf
der Oberfläche
des Funktionselements verbleiben oder sich zersetzen.
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Die
Schichtdicke der Schutzschicht kann z.B. mittels Simulationsprogrammen
anhand der Materialdicke des Metalls, das das Funktionselement umgibt,
der Temperatur der Schmelze, dem Wärmeinhalt und der Wärmeabfuhr über die
Gussform berechnet werden. Bevorzugt wird die Schichtdicke dabei
so gewählt,
dass sie möglichst
dünn ist,
da die im fertigen Bauteil verbleibende Schutzschicht bzw. Reste
hiervon in ungünstigen
Fällen
unerwünschte "Sollbruchstellen" im Bauteil darstellen
können.
Die Schutzschicht kann das Funktionselement auch nur teilweise umhüllen – etwa nur
in Bereichen, die besonders temperaturempfindlich sind oder in denen aufgrund
der Geometrie des herzustellenden Bauteils ein größerer Wärmeeintrag
aus der zu vergießenden
Metallschmelze zu erwarten ist.
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Die
sensorischen oder aktorischen Funktionselemente werden aber bevorzugt
ohne Schutzschicht vergossen, da durch einen direkten Stoffschluss
zwischen Bauteilmaterial und Sensor/Aktor Fehlerquellen reduziert
werden können.
Wird dennoch eine Schutzschicht benötigt, so wird diese bevorzugt
aus Materialien mit bekannten mechanischen Eigenschaften ausgeführt, die
eine rechnerische Korrektur ermöglichen.
Hier kommen insbesondere keramische Schichten in Frage.
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Das
Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteile wird so durchgeführt, dass ein
gegebenenfalls mit einer Schutzschicht zumindest teilweise umhülltes Funktionselement
in der Kavität
einer Gussform positioniert wird und anschließend mittels eines Gussverfahrens
mit einem Metall umgossen wird, wobei die Positionierung in der Gussform
so gewählt
wird, dass die Strömungsgeschwindigkeit
der zu vergießenden
Metallschmelze im Bereich des Funktionselements niedrig ist.
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Unter
niedrig ist hierbei insbesondere zu verstehen, dass die Strömungsgeschwindigkeit
im Bereich des Funktionselements maximal 100 m/s beträgt, bevorzugt
kleiner als 80 m/s beträgt
und besonders bevorzugt kleiner als 50 m/s. Die Strömungsgeschwindigkeiten
können
vorab beispielsweise mittels Formfüllsimulationen (z.B. mittels
der Software Magamasoft oder Procast) bestimmt werden.
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Werden
die Funktionselemente in Bauteilbereichen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit
positioniert und vergossen, so kann hierbei der Schmelze so viel
Wärme entzogen
werden, dass während des
Gussprozesses keine Erwärmung
der Funktionselemente über
Temperaturen erfolgen kann, ab denen die Funktionsfähigkeit
des Funktionselements beeinträchtigt
wird oder vollständig
verloren geht. Ein zusätzlicher
Wärmeentzug
kann dabei besonders effektiv durch Kühlelemente erfolgen.
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Besonders
bevorzugt wird das Funktionselement so positioniert, dass nur wenig
Metall das Funktionselement umfließen muss, um Bereiche des Bauteils,
die hinter dem Funktionselement liegen, zu füllen. Das Funktionselement
kann auch so positioniert werden, dass der Bereich des Bauteils,
der hinter dem Funktionselement liegt, durch geeignete Auslegung
des Angusssystems über
einen anderen Strömungsweg
mit Metallschmelze gefüllt
wird.
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Unter
Metallschmelze wird erfindunggemäß jedes
Material verstanden, das ein oder mehrere Metalle bzw. Legierungen
enthält
oder aus diesen besteht und das mit den erfindungsgemäß anwendbaren
Gießverfahren
vergießbar
ist (also z.B. auch tixotrope Materialien). Werden Schmelzen eingesetzt, die
nicht aus reinem Metall bzw. Legierung oder Gemischen hieraus besteht,
so beträgt
der Anteil der restlichen Zuschlagstoffe (z.B. keramische Bestandteile)
bevorzugt nicht mehr als 40%.
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Die
erfindungsgemäßen Funktionselemente werden
wie herkömmliche
Permanentkerne in der Formkavität
positioniert und anschließend
vergossen. Als Gießverfahren
kommen alle Verfahren in Betracht, die eine hinreichend schnelle
Temperaturabfuhr ermöglichen.
Hier ist insbesondere der Warmkammer- und Kaltkammerdruckguss, einschließlich des
Squeeze Casting und Thixocasting zu nennen. Ebenso kommen die Schwerkraft-,
Niederdruck- und Kipp- oder Schwenk-Kokillengießverfahren für den Einsatz
in Betracht, da durch die metallische Form eine gute Temperierung
gewährleistet
ist. Für
den Einsatz in konventionellen Sandgussverfahren, wie dem Hand-
oder Maschinengeformten Schwerkraft- und Niederdrucksandgussverfahren,
wie dem Kernpaketverfahren, dem Vollformgießverfahren und dem Lost Foam-Verfahren
muss die thermische Kapselung entsprechend der geringeren Wärmeabfuhr über den
Formstoff erhöht
werden oder eine ausreichende Wärmeabfuhr
durch Kühlelemente
gewährleistet
sein.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird dieses Verfahren so durchgeführt, dass
die Positionierung des Funktionselements in der Gussform so gewählt wird,
dass dass sich während
des Vergießens der
Metallschmelze das Funktionselement nicht in der Hauptströmung der
Metallschmelze befindet. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn
das Bauteil eine komplizierte Geometrie aufweist und/oder neben
einem Hauptströmungsbereich
weitere Strömungsbereiche
mit niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit
der Metallschmelze vorliegen. Besonders bevorzugt wird das Funktionselement
dann in dem Bauteilbereich positioniert, in dem die niedrigste Strömungsgeschwindigkeit
voliegt bzw. zu erwarten ist. Ist eine Positionierung in diesem
Bereich aufgrund negativer Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften
des Bauteils nicht sinnvoll, so wird der Bauteilbereich gewählt in dem
bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften des Bauteils die
niedrigste Strömungsgeschwindigkeit
voliegt bzw. zu erwarten ist.
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Um
eine einfache Positionierung zu ermöglichen, wird vorteilhafterweise
der Anschnittsquerschnitt gegenüber
herkömmlichen
Druckgussverfahren vergrößert; hierdurch
kann die Strömungsgeschwindigkeit
reduziert werden.
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Der
Erstarrungsprozess der Schmelze, wird – bevorzugt unter Druck – in so
kurzer Zeit durchgeführt,
dass die Funktionselemente in ihrer Funktion durch die eingebrachte
Energie nicht beeinträchtigt werden.
Die Oberfläche
des Funktionselements bzw. die an die Schutzschicht anschließende Oberfläche des
Funktionselements weist daher während des Gussverfahrens
und des Erstarrungsprozesses bevorzugt maximal eine Temperatur auf,
die unter der Temperatur liegt, ab der die Funktionsfähigkeit
des temperaturempfindlichen Elements beeinträchtigt wird. Insbesondere sollte
die Oberflächentemperatur im
Allgemeinen 250-300°C
nicht überschreiten. Funktionselemente
mit piezoelektrischen Komponenten können kurzzeitig auch höhere Temperaturen,
die oberhalb der Curie-Temperatur
des entsprechenden piezoelektrischen Materials liegen, ausgesetzt
werden. Dabei gehen die piezoelektrischen Eigenschaften des Materials
zunächst
verloren, können
jedoch über
das Anlegen einer Hochspannung wieder hergestellt werden. Bevorzugt
wird das Gussverfahren daher so durchgeführt dass die piezoelektrischen
Eigenschaften nicht verloren gehen. Besonders bevorzugt werden piezoelektrische
Elemente auf Basis von Terfenol verwendet.
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Besonders
bevorzugt wird dieses Verfahren so durchgeführt, dass – abhängig von der Bauteilgeometrie
und dem Bauteilvolumen – sehr
kurzen Formfüllzeiten
eine sehr schnelle Erstarrung der Schmelze erreicht wird. Im Bereich
der Funktionselemente dauert das Gussverfahren (d.h. die Formfüllzeit und
Erstarrungszeit) bevorzugt weniger als 10s.
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Das
genannte Verfahren ist besonders geeignet, Bauteile aus Aluminiumguss,
Magnesiumguss, Zinkguss und bei geeigneter Temperaturführung und
-beständigkeit
auch aus Eisen- sowie Stahlguss herzustellen. Ist eine Schutzschicht
für die
einzugießenden
Funktionselemente vorgesehen, so wird das Verfahren bevorzugt so
durchgeführt,
dass das Funktionselement teilweise oder vollständig homogen umhüllt wird.
Durch die Positionierung in der Gussform wird die Lage der Elemente
vorgegeben und somit die Position der Sensordaten und die spätere Lage
des Bauteils im Raum.
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Im
Folgenden wird – ohne
Einschränkung der
Allgemeinheit – das
Verfahren zu Herstellung von Gussbauteilen und die dabei erhaltenen
erfindungsgemäßen Bauteile
noch näher
anhand von Abbildungen und einem Beispiel erläutert:
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Es
zeigen:
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1:
Musterbauteil (1) ohne eingegossene Funktionselemente
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2:
Musterbauteil (1) mit RFID (2) und dielektrischem
Spalt (3)
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2a:
Detailansicht von 2
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3:
Musterbauteil mit Piezokeramik (4) und Leitung nach Außen (5)
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3a:
Detailansicht von 3
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4:
Musterbauteil mit Piezokeramik (4), Elektronik (6)
und RFID (2)
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Beispiel:
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Durchgeführt wurde
das genannte Gussverfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß 1 bis 4 auf
einer Kaltkammer-Druckgießmaschine vom
Typ Bühler
SC/N 66. Als Gießwerkstoff
kam AlSi9Cu3 zum Einsatz.
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Es
wurden RFIDs und Piezokeramiken mit einem der Form angepassten Halter
in der Kavität der
Druckgussform positioniert. Der Einsatz wurde so gewählt, dass
er nicht durch das schnell anströmende
Metall verrückt
oder zerstört
wird.
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Die
Bereiche im Bauteil, die für
die Aufnahme eines Einlegeteils geeignet sind, sind individuell in
Abhängigkeit
der Bauteilgeometrie sowie der Anschnitte zu wählen. Ist eine bestimmte Position
vorgegeben, müssen
ggf. konstruktive Änderungen
an Anschnitt bzw Bauteilgeometrie vorgenommen werden. Im vorliegenden
Fall wurden die RFIDs und Piezokeramiken an den Positionen, die
den 2 bis 4 zu entnehmen sind, vergossen.
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Nach
der Positionierung der Funktionselemente wurde die Form geschlossen
und der Schuss ausgelöst.
Die Formfüllung
erfolgte innerhalb von 25 ms. Das Gusstück wurde sofort nach der Entnahme aus
der Form mit Luft oder Wasser abgekühlt; die Funktionselemente
waren voll funktionstüchtig
und konnten bestimmungsgemäß verwendet
werden.