WO2008113518A2 - Urformverfahren zur herstellung von multifunktionsbauteilen - Google Patents

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WO2008113518A2
WO2008113518A2 PCT/EP2008/002047 EP2008002047W WO2008113518A2 WO 2008113518 A2 WO2008113518 A2 WO 2008113518A2 EP 2008002047 W EP2008002047 W EP 2008002047W WO 2008113518 A2 WO2008113518 A2 WO 2008113518A2
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    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K2217/00—Temperature measurement using electric or magnetic components already present in the system to be measured

Definitions

  • the invention relates to a novel, stepwise galvanic primary molding process, with the first novel complex metallic multifunction components can be produced, which were previously not produced with the known metallic manufacturing processes.
  • the galvanic primary forming process can be used to produce stable, self-supporting, seamless, one-piece metallic multifunctional components from a homogeneous metallic material with macroscopic dimensions.
  • the galvanic deposition process is interrupted at the end of a first manufacturing stage after reaching a certain intermediate geometry of the multi-functional component to treat a region of the intermediate geometry surface in at least one downstream non-galvanic manufacturing stage with something that the chemical or physical properties of the treated Change surface area, or that in some areas a new surface is created to then increase the thickness of the intermediate geometry in at least one downstream second galvanic manufacturing stage, wherein in at least a portion of the multifunctional component produced in this way, an interface is formed.
  • the known primary molding methods such as casting, with which metallic components can be produced, which have the shape and dimensions of finished components or machine elements, usually require temperatures well above 50 0 C. They are also generally unsuitable to produce larger areas in a component with a wall thickness of less than 1 mm (see: Dubbel, Paperback for Mechanical Engineering, 28th Edition, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, page S4 to S23). Even the conventional machining processes, such as milling or turning, which are used for metals are reaching their limits when it comes to producing a larger area in the component to be manufactured, which should have a very small wall thickness.
  • electroforming in which usually very thin metallic layers are produced by deposition from aqueous and organic solutions.
  • wall thicknesses well below 1 mm can thus be realized without difficulty.
  • the aim was also to be able to embed or enclose specifically temperature-sensitive foreign bodies in a one-piece metallic component which has a homogeneous structure without being thermally destroyed thereby. Furthermore, it was the goal to enable the production of metallic components for the first time, which at least in some areas have a plurality of individual walls with surfaces in close-fitting contiguous relationship or which have extreme wall thickness differences.
  • the invention now relates to the method with which both advantageous types of sensors can be realized by primary shaping, as well as the novel types of sensors themselves are feasible.
  • the invention is based inter alia on the general idea of integrating the sensor elements in a component or a machine element, which is anyway necessary in a technical system or machine, since it assumes a technical function.
  • the aim was, for example, that you do not need a separate housing for the sensor element to measure the desired technical size, which then also has to be integrated into the system or machine in order to measure the respective size can.
  • the aim was to integrate the sensor element directly into a component already present in the system. This turns the component into a multifunctional component. It takes on two technical functions, on the one hand fulfilling the mechanical task within the plant, and on the other hand measuring an important technical process variable at the same time.
  • the method should make it possible to build sensors such that: 1. they are less susceptible to possible damage,
  • the actual sensor element can be integrated directly into an already required component
  • the actual sensor element can be positioned closer to the point at which the technical size is to be measured,
  • the finished component can act as a sensor at the same time
  • An interface in this application is understood to mean a surface within a component which has no expansion in the thickness direction, but in which a kink or a discontinuity in the voltage curve occurs when the component is loaded. It is particularly advantageous if, in the interface, the surfaces of two individual walls are in perfect conformal shape without any intermediate gap. Precise in this context means that the material, which is deposited in the new deposition process, is deposited in an ideal way onto the existing surface. Microscopic unevennesses in the surface are also reproduced exactly without any gaps or cavities forming in the boundary surface, so that in the area of the interface the positive of the microscopic surface structure of the underside of the wall is equal to the negative of the top side of the adjacent wall.
  • Components with a very large linear elastic deformation capacity can be produced if, according to the invention, components are produced at least partially multi-walled and if there is no adhesion in the boundary surfaces between the individual individual walls. This can be achieved by applying a gas, a liquid or a chemical to at least one area of the intermediate geometry produced. By means of such agents, the surface of the component can be changed in its physical or chemical properties, without resulting in a measurable change in the thickness of the component. By changing the physical or chemical
  • Surface property can be selectively generated areas on the surface of the intermediate geometry, in which the continuation of the electrodeposition process, although material deposits on the surface dimensionally accurate, but does not adhere to the substrate. In this way, arise in a multi-functional component of a homogeneous material areas in which exist a plurality of individual walls whose surfaces are absolutely close to each other, but which can move relative to each other
  • the method according to the invention can be produced for the first time multi-walled, seamless, one-piece, metallic multi-functional components in which the individual walls in their entirety or even only partially regionally form each other.
  • the O-rings are characterized by a compared to conventional single-walled O-rings significantly enlarged linear elastic deformation range.
  • dynamically actuated seals it is possible to use this enlarged deformation region in order to selectively close or reopen a gap.
  • a partially multi-walled multifunctional component wherein in the multi-walled area boundary surfaces with individual walls that lie in perfect shape are located.
  • One-piece means that the multifunctional component consists of only one homogeneous material and that the multifunctional component has an interface but no joining seams.
  • multifunction components with sensor function can be with the method parts, such as temperature sensors, at temperatures of less than 70 0 C at least partially of a metallic material having a melting point of greater than 70 0 C but preferably greater than 280 0 C, under Connect formation of an interface with an intermediate geometry.
  • the method can also be used in a simple manner stable, self-supporting one-piece multi-functional components, at least partially wall thicknesses of 1 mm, preferably even 5 mm and larger, but also partially of 0.5 mm, preferably even 0.1 mm and smaller or have a Wall thickness ratio between the largest wall thickness and the smallest wall thickness of greater than 100, preferably even greater than 1000, produce. It is according to the invention also for the first time metallic multifunctional components that have a multi-walled area, which is surrounded by a single-walled area around produce.
  • the method is suitable for producing seamless, multi-functional metal components with a homogeneous microstructure, which have at least one area in which there is an interface between two individual walls, the surfaces of the individual walls superimposing each other without any intermediate gap, so that in the region of Interface the positive of the microscopic surface structure of the bottom of the wall is equal to the negative of the top of the adjacent wall.
  • a homogeneous microstructure which have at least one area in which there is an interface between two individual walls, the surfaces of the individual walls superimposing each other without any intermediate gap, so that in the region of Interface the positive of the microscopic surface structure of the bottom of the wall is equal to the negative of the top of the adjacent wall.
  • multi-functional components in which the metallic surface is additionally adhesively or positively connected to another part, or in which in the multi-functional component at least one wall is integrated, which consists of a different material, or in which that of a different material existing part over its entire circumference, that is gas-tight and media-tight with the homogeneous, one-piece, metallic material connected or enclosed.
  • multi-functional components in which at least a single wall of the homogeneous, one-piece, metallic material has a thickness of less than or equal to 0.5 mm, preferably even less than 0.0001 mm or where the homogeneous, one-piece, metallic material has at least one cavity, the complete is completed to the outside, are feasible.
  • the homogeneous, one-piece, metallic material that surrounds the sensor element may be dimensionally accurate to be resistant to corrosion or else for the sensor surface and the homogeneous, one-piece metallic surface surrounding the sensor to be adhesively bonded to one another or the homogeneous, one-piece, metallic material, which encloses the sensor element dimensionally accurate, has a melting point above 280 0 C, preferably even above 600 0 C.
  • the homogenous, one-piece, metallic material surrounding the sensor may have at least one cavity that is completely closed to the outside and that is partially or completely filled with another substance or that the sensor element itself is located in a cavity of the homogeneous, one-piece, metallic material, and that at least one wall bounding the cavity is a movable membrane.
  • the homogenous, one-piece, metallic material surrounding the sensor may have at least one cavity that is completely closed to the outside and that is partially or completely filled with another substance or that the sensor element itself is located in a cavity of the homogeneous, one-piece, metallic material, and that at least one wall bounding the cavity is a movable membrane.
  • a temperature sensor is also integrated in the pipe section according to the invention, then the pressure and the temperature can be measured in a pipeline, for example, without having to integrate a T-piece into the pipeline without having to flange an additional sensor, and without that the flow in the pipe is disturbed by the installation of sensors.
  • a temperature sensor is also integrated in the pipe section according to the invention, then the pressure and the temperature can be measured in a pipeline, for example, without having to integrate a T-piece into the pipeline without having to flange an additional sensor, and without that the flow in the pipe is disturbed by the installation of sensors.
  • the homogeneous, one-piece, metallic material has the geometry of a finished functional sensor housing.
  • the deposition process at the end of a is interrupted after reaching a certain intermediate geometry of the multi-functional component, and that a portion of the surface of the intermediate geometry in at least one downstream non-galvanic manufacturing stage is treated with something that change the chemical or physical properties of the treated surface area or partially a new Surface is created, and that then in at least one downstream second galvanic manufacturing stage, the thickness of Intermediate geometry continues to grow, wherein in at least a portion of the multi-functional component, an interface is formed.
  • the thickness of the multi-functional component is not changed, but that the chemical or physical properties of the surface of the intermediate geometry are changed.
  • the metallic multifunction component is in one piece.
  • an opening in a further galvanic manufacturing step is closed to form an interface.
  • a part such as a temperature sensor, at temperatures of less than 70 0 C at least partially of a metallic material of a wall having a melting point of greater than 70 0 C but preferably greater than 280 0 C, with formation an interface is connected to the surface of an intermediate geometry.
  • multifunctional components having a wall thickness ratio between the largest wall thickness (D) in the region 20 and the smallest wall thickness (d22, d23, d24) of greater than 100, preferably even greater than 1000, are produced. It can be provided that multi-functional metal components, which have a multi-walled central region which is surrounded by a single-walled peripheral area, are produced.
  • the invention also relates to a seamless metal multifunction component having a homogeneous microstructure, which is produced using a method mentioned above, characterized in that according to the invention it is provided that the multifunctional component has at least one region in which there is an interface between two individual walls the surfaces of the individual walls without any intermediate gap form each other exactly match, so that in the area of the interface, the positive of the microscopic surface structure of the underside of the single wall is equal to the negative of the top of the adjacent single wall.
  • the homogeneous, metallic, material is partially multi-walled.
  • a multi-walled central area is completely enclosed by a single-walled edge area.
  • the homogeneous, one-piece, metallic material of the wall which encloses the temperature sensor precisely, is resistant to corrosion.
  • the surface of the DehnmessstMails is adhesively bonded to the metallic material of the wall.
  • the metallic material of the wall is additionally adhesively or positively connected to another part.
  • the homogeneous, one-piece, metallic material of the wall at least one single wall, for example, the wall of the Dehnmessst Shapes is integrated, which consists of a different material and the solid over its entire circumference, that is gas and media density with the homogeneous, one-piece, metallic material of the wall is connected. It can be provided that at least one single wall of the homogeneous, one-piece, metallic material has a thickness of less than or equal to 0.5 mm, preferably even less than 0.0001 mm.
  • the homogeneous, one-piece, metallic material has at least one cavity which is completely closed to the outside.
  • the multi-functional component has an integrated temperature sensor and that the surface of the temperature sensor is at least partially covered with the method dimensionally accurate with the homogeneous, one-piece, metallic material of the wall.
  • the signal line emanating from the temperature sensor is enclosed by the homogeneous, one-piece, metallic material of the wall (1) over at least a certain length.
  • the homogeneous, one-piece metallic material of the wall that surrounds the temperature sensor dimensionally accurate has a melting point above 280 0 C.
  • the homogeneous, one-piece, metallic material of the wall surrounding the temperature sensor has at least one cavity which is completely closed to the outside and which is partially or completely filled with another substance.
  • the capacitor electrode is located in a cavity of the homogeneous, one-piece, metallic material.
  • the homogeneous, one-piece, metallic material of the wall surrounding the capacitor electrode has at least one cavity, and that at least one single wall bounding the cavity is a movable membrane.
  • the homogeneous, one-piece, metallic material of the wall has the geometry of a finished functional sensor housing.
  • the multi-functional component is a one-piece tube with two single-walled end regions, and that at least one single wall exists between the two single-walled tube end regions, which is movable like a membrane when the pressure prevailing in the tube changes.
  • FIG. 1 is a sectional view of FIG. 1 along the line AA
  • FIG. 3 is a section through a multi-functional component 20 with identical outside dimensions as in Fig. 1 but with a cavity 27 in the central region
  • Fig. 4 is a sectional view of a metallic seal 30, the dimensions of a change in the
  • Pressure in the cavity 34 can be varied
  • FIG. 5 shows a multi-walled, seamless, metallic O-ring 50, in which the surfaces of the individual individual walls 51 to 53 are superimposed on one another,
  • Fig. 6 is a sectional view of the O-ring 50 of FIG. 5 along the line BB. 1
  • FIG. 7 is a greatly enlarged sectional view through a metallic wall 1 of a multi-functional component 20 with a temperature sensor 2 embedded according to the invention
  • FIG. 8 is a greatly enlarged sectional view through a wall 1 of a multi-functional component 20, in which a plurality of different sensor elements 2, 5 and 13 are integrated.
  • FIG. 1 shows a stable, self-supporting, seamless, one-piece multifunctional component 20 produced according to the invention with a homogeneous structure. It has a rigid, circumferential, single-walled, thick edge region 28 and in the middle a three-walled flexible central region 21, which is completely surrounded by the edge region 28.
  • Fig. 2 shows a sectional view corresponding to the line A-A shown in Fig. 1. As can be seen in FIG. 2, the surfaces of the individual walls 22-24 are in intimate contact with one another, that is, the sum of the single wall thicknesses d22, d23 and d24 corresponds exactly to the wall thickness D of the multi-walled central area 21.
  • the surfaces of the individual walls 22-24 lie precisely in shape without any intermediate gap, so that in the area of the boundary surfaces 25, 26 the positive of the microscopic surface structure of the underside of the single walls 22 and 23 equals the negative of the Top of the adjacent individual walls 23 and 24 is. If, for example, a partial area is cut out of the middle area 21 of the multi-functional component 20 along the line 29 drawn in FIG. 1, three individual separate wall sections of the individual walls 22-24 are obtained.
  • the central region 21 can also be made up of more than three individual walls 22-24. In order to allow a relative movement in the boundary surfaces 25 and 26, it is advantageous if the surfaces of the individual walls 22 to 24 have an absolutely flat surface free from smallest elevations or depressions.
  • Lines between staggered dashed areas identify interfaces 25, 26, 41, 42, and 54, 55 between individual walls of a homogeneous material of the wall 1, whose surfaces can shift against each other, but have an intimate contact, so that in the region of the interface Positive is the microscopic surface structure of the underside of a single wall equal to the negative of the top of the adjacent single wall.
  • Dotted lines indicate surfaces 17 of an intermediate geometry, each at the end of a galvanic manufacturing stage.
  • the thickness of the individual walls 22-24 in FIG. 2, as well as that of the edge region 28, can thereby move from the nanometer range to the centimeter range.
  • the individual walls can be flat or arbitrarily curved three-dimensionally.
  • the sinusoidal geometry shown by way of example in FIG. 2 gives the middle region 21 a certain elasticity, so that the middle region 21 can deform elastically to a great extent under the action of external forces, while the edge region 28 remains virtually rigid.
  • FIG. 3 shows the multi-functional component 20 from FIG. 1, in which the single wall 23 is replaced by a cavity 27. In this cavity 27 may be different gases, liquids or solid objects, wherein the cavity 27 does not necessarily have to be completely filled.
  • FIG. 4 the cross section through the individual walls 31-33 of a stable, self-supporting, seamless, one-piece sealing ring 30 is shown, with which the gap S between two components 39, 40 can be closed or opened.
  • the sealing ring 30 in turn consists of several individual walls 31-33. Also in this case is located in the interfaces 41 and 42 between the surfaces of the individual walls 31-33 absolutely no gap.
  • the individual walls 31-33 are ideally supported against each other. Nevertheless, a relative movement of the surfaces of the individual walls 31-33 to each other is possible because there is no adhesion between the individual walls 31 to 33 in the boundary surfaces 41 and 42.
  • a gap S between two components 39, 40 can be completely closed or partially released with the aid of this sealing ring 30 produced according to the invention.
  • the amplitude of the sinusoidal corrugation of the individual walls 31-33 will decrease, and completely close the gap S between the two components 39 and 40.
  • the amplitude will increase again and thus the sealing ring 30 again assume the initial geometry.
  • the gap a between the seal 30 and the component 39 is released again.
  • FIG. 5 shows, as a further example of a multi-functional component produced according to the invention, a seamless multi-walled O-ring 50 which has a cavity 56.
  • FIG. 6 shows a greatly enlarged cross section through the O-ring 50 of FIG. 5 along the line B-B. It consists of three individual walls 51-53, between which there are two interfaces 54 and 55, in which the surfaces of the individual walls form each other exactly. In this application, it is of course advantageous for the sliding of the surfaces of the individual walls 51 to 53, when the surfaces are absolutely flat. Both the thickness and the number of individual walls can be chosen arbitrarily in order to adapt the sealing force and the linear elastic deformation region to the requirements of the application. Of course, the individual walls 51-53 may also consist of different materials in order to achieve specific sealing properties or else to assist in sliding the surfaces of the individual walls 51 to 53 in the interfaces 54 and 55.
  • FIG. 7 shows a multi-functional component 20 according to the invention in a sectional view through the wall 1 in a greatly enlarged form.
  • a metallic layer with the wall thickness d is not adhesively applied to a carrier 19 in a first galvanic manufacturing stage.
  • the temperature sensor 2 is applied to the free surface 17 of the intermediate geometry thus produced. This is partially created on the surface 17 of the intermediate geometry, a new surface, namely the temperature sensor 2, created.
  • the application can be done by simple mechanical fixing or by gluing.
  • the surface of the temperature sensor 2 and the signal line 3 is made conductive, for example, by applying a conductive ink.
  • non-conductive parts that are applied to the surface 17 of the intermediate geometry may also be rendered conductive prior to application.
  • the wall thickness of the multi-functional component 20 continues to grow, wherein at the same time the surfaces of the temperature sensor 2 with a homogeneous one-piece, metallic wall 1 form-fitting enclosed and thus completed by the environment.
  • the temperature sensor 2 instead of the temperature sensor 2, it is also possible to apply any other parts or materials to the surface 17 of the intermediate geometry and then cover it in a dimensionally accurate manner. It can be covered in this way almost all solid materials or even entire electronic assemblies of a homogeneous metallic material of a wall 1 at least partially positive fit.
  • a PtIOO or a simple nickel-iron temperature sensor 2 can be cast or enclosed in a dimensionally accurate manner.
  • Suitable wall materials are preferably metals such as aluminum, nickel, copper, chromium, cobalt, silver, gold or the like in pure form or else as compound or in alloyed form.
  • the two signal lines 3 which are also completely positively enclosed by the homogeneous, one-piece, metallic material of the wall 1, lead to the surface.
  • the temperature sensor 2 is completely covered with a thin electrically insulating layer 4. In the simplest case, this may be an insulating varnish.
  • the wall 1 shown in section may now be part of a pipeline, a shaft, a housing or something similar, wherein the multi-functional component 20 may have a complex three-dimensional geometry. For example, if one wishes to measure the temperature of the wall surface 18, it makes sense to make the distance d of the temperature sensor 2 from the wall surface 18 to be measured as small as possible. Distances d of 0.1 mm and smaller are particularly advantageous.
  • the wall thickness D of the metallic wall 1 is in principle freely selectable, but it should preferably be at least minimally greater than the sum of the radius R of the temperature sensor 2 and the distance d, to ensure that the temperature sensor 2 can not dissolve out of the wall 1 ,
  • any number of further temperature sensors 2 can be integrated into the wall 1 at any distance from the wall surface 18.
  • a strain gauge 5 is embedded in the homogeneous, one-piece, metallic material of the wall 1. It is located between two thin individual walls 6 and 7 of the homogeneous, one-piece, seamless, metallic material of the wall 1. Above and below the two individual walls 6 and 7 can be, for example, to increase the mechanical strength of the sensor any number of additional individual walls.
  • the wall thicknesses a and b, the individual walls 6, 7, can be dimensioned according to the particular application. As a rule, they should be less than 1 mm, preferably less than 0.1 mm. Of course, they can also have any desired greater thickness.
  • the individual walls 6, 7 need not necessarily be straight, but may also have a curved shape, as shown for example in FIG. 2, in order to increase the mobility or the sensitivity.
  • individual walls consist of an alloy other than that of the surrounding homogeneous, one-piece, metallic material of the wall 1, wherein they are firmly connected all around with the homogeneous material of the wall 1.
  • the signal line 3 of the strain gauge 5 is again enclosed by the homogeneous material of the wall 1 in shape until it occurs on the surface of the wall 1 to the outside.
  • the surfaces of the individual walls 6 and 7 are in the area of the interface 8 without any gap absolutely tight and shape to each other. Also in the interfaces 8 and 9 between the embedded strain gauge 5 and the surrounding metallic material of the wall 1, there is no cavity or gap at any point.
  • the strain gauge 5 and the signal line 3 are thus solid and molded into the material of the wall 1 molded.
  • it may be advantageous that the strain gauge 5 in the boundary surfaces 8 and 9 is not adhesively bonded to the surfaces of the metallic individual walls 6, 7 surrounding it, or that it adheres firmly to one or both surfaces of the metallic material 1 connected is.
  • the multi-functional component 20 may have a cavity 10, which is either completely enclosed by the material of the wall 1 or has a connection to the environment via a bore 11.
  • Such a cavity 10 can be produced in a simple manner by applying to the surface 17 of the generated intermediate geometry, for example, a non-conductive plate having the circumferential geometry of the desired cavity 10, and then continuing the galvanic
  • capacitor electrodes 13 can now be applied.
  • the cavity 10 in turn can additionally with a gas, with a liquid or with a solid, for. B with a powder, be filled.
  • this area can act as a capacitive sensor.
  • the multi-functional component 20 may also have a plurality of such cavities 10, which are either closed or may also be connected to the environment.
  • a temperature sensor 2 which is embedded in the material of the wall 1 as described for FIG. 7, can also be integrated into the multifunction component 20 according to FIG. 8.
  • Multifunctional component 20 is capable of further increasing the precision of the measurement over conventional sensors that measure only one or two physical principles.
  • the integrated temperature sensor 2 can detect any temperature drift that may be present, in order to be able to take account of temperature influences in the multifunction component 20 in the downstream sensor electronics and thus also to be able to eliminate them.
  • almost all known physical principles of action can be integrated in such multifunctional components 20.
  • the sensors 2, 5, 13 integrated in the multifunctional components 20 the known technical parameters such as force, pressure, temperature, torque, etc. can then be measured.
  • the wall 1 drawn in FIGS. 7 and 8 can now be part of a technical multi-function component 20 with a more or less complex geometry.
  • the part 14 may also be connected to a third part 14, in that the outer surface 15 of the third part 14 is in turn partially enclosed by the material of the wall 1 in certain areas.
  • the part 14 may consist of another metal, plastic, glass, ceramic or other non-metallic material. In this case, it is advantageous if the surface 15 of the part 14 either has undercuts, or at least is very rough, in order to achieve a good fit between the multi-functional component 20 and the part 14.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Urformverfahren, mit dem erstmals metallische Multifunktionsbauteile (20, 30, 50) hergestellt werden können, die mit keinem bisher bekannten metallischen Fertigungsverfahren herstellbar waren. Sie betrifft ein Verfahren zur stufenweisen, galvanischen Urformung eines stabilen, selbsttragenden Multifunktionsbauteils (20, 30, 50), das makroskopische Abmessungen besitzt, das vorwiegend aus einer homogenen metallischen Wand (1) besteht und das in einer Baugruppe eine mechanische Funktion übernehmen kann. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheideprozess am Ende einer ersten Fertigungsstufe nach Erreichen einer bestimmten Zwischengeometrie des späteren Multifunktionsbauteils (20, 30, 50) unterbrochen wird, und dass ein Bereich der Oberfläche (17) der Zwischengeometrie in mindestens einer nachgeschalteten nicht galvanischen Fertigungsstufe mit etwas so behandelt wird, dass sich die chemischen oder die physikalischen Eigenschaften des behandelten Oberflächenbereichs verändern oder dass bereichsweise eine neue Oberfläche geschaffen wird, und dass man danach in mindestens einer nachgeschalteten zweiten galvanischen Fertigungsstufe die Dicke der Zwischengeometrie weiter anwachsen lässt, wobei in mindestens einem Teilbereich des Multifunktionsbauteils (20, 30, 50) eine Grenzfläche (8, 9, 25, 26, 41, 42, 54, 55) entsteht. Auf diese Weise können erstmals einstückige Multifunktionsbauteile (20, 30, 50) mit einem partiell mehrwandigen Mittelbereich (21) mit einem definierten Hohlraum (10, 27, 34, 56), mit sehr dünnen Einzelwanddicken (d22; d23, d24) und bzw. oder auch mit sehr großen Wanddickenunterschieden hergestellt werden. Mit dem Verfahren lassen sich beispielsweise neuartige Multifunktionsbauteile (20, 30, 50) zur Umwandlung von technischen Messgrößen bzw. Parametern in elektrische Messsignale herstellen. Dabei kann unter anderem das eigentliche in das Multifunktionsbauteil (20, 30, 50) integrierte Sensorelement (2, 5, 13) bereichsweise oder auch vollständig von einem durch Galvanoformung urgeformten, homogenen, einstückigen, metallischen Material der Wand (1) umschlossen oder abgedeckt werden.

Description

Urformverfahren zur Herstellung von Multifunktionsbauteilen
Die Erfindung betrifft ein neuartiges, stufenweises galvanisches Urformverfahren, mit dem erstmals neuartige komplexe metallische Multifunktionsbauteile hergestellt werden können, die bisher mit den bekannten metallischen Fertigungsverfahren nicht herstellbar waren. Mit dem galvanischen Urformverfahren lassen sich unter anderem stabile, selbsttragende, nahtlose, einstückige metallische Multifunktionsbauteile aus einem homogenen metallischen Material mit makroskopischen Abmessungen herstellen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der galvanische Abscheideprozess am Ende einer ersten Fertigungsstufe nach Erreichen einer bestimmten Zwischengeometrie des Multifunktionsbauteils unterbrochen, um einen Bereich der Zwischengeometrieoberfläche in mindestens einer nachgeschalteten nicht galvanischen Fertigungsstufe mit etwas so zu behandeln, dass sich die chemischen oder die physikalischen Eigenschaften des behandelten Oberflächenbereichs verändern, oder dass bereichsweise eine neue Oberfläche geschaffen wird, um danach in mindestens einer nachgeschalteten zweiten galvanischen Fertigungsstufe die Dicke der Zwischengeometrie weiter anwachsen zu lassen, wobei in mindestens einem Teilbereich des auf diese Weise hergestellten Multifunktionsbauteils eine Grenzfläche entsteht.
Die bekannten Urformverfahren, wie zum Beispiel das Gießen, mit denen metallische Bauteile hergestellt werden können, die die Gestalt und die Abmessungen von fertigen Bauteilen oder Maschinenelementen besitzen, benötigen meist Temperaturen weit oberhalb von 50 0C. Sie sind darüber hinaus in aller Regel ungeeignet, um in einem Bauteil größere Bereiche mit einer Wanddicke von kleiner 1 mm zu erzeugen (siehe: Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 28. Auflage, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Seite S4 bis S23). Selbst die konventionellen, spanabhebenden Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel Fräsen oder Drehen, die für Metalle eingesetzt werden, stoßen an ihre Grenzen, wenn es darum geht, in dem zu fertigenden Bauteil einen größeren Bereich herzustellen, der eine sehr geringe Wanddicke aufweisen soll.
Eine Ausnahme bildet die Galvanoformung, bei der normalerweise sehr dünne metallische Schichten durch Abscheidung aus wässrigen und organischen Lösungen erzeugt werden. Im Gegensatz zu den meisten anderen Urformverfahren sind somit auch Wanddicken weit unterhalb von 1 mm problemlos realisierbar. So ist es zum Beispiel aus WO 2806/053539 A 1 und aus US 4,884,061 A bekannt, auf galvanischem Weg Verbundbauteile, die aus dünnen Schichten oder Lagen unterschiedlicher Materialien bestehen, herzustellen. Ebenso ist es Stand der Technik, wie zum Beispiel in DE 39 17434 A1 beschrieben, Substrate wie beispielsweise Glas galvanisch mit einer dünnen Schicht zu überziehen.
Zur Herstellung von stabilen selbsttragenden Bauteilen mit größeren Wanddicken ist allerdings nach allgemeiner Meinung von Fachleuten das galvanische Verfahren aus mehreren Gründen ungeeignet. Schon auf Grund der sehr geringen Abscheideraten dauert es viel zu lange, bis größere Wanddicken für ein selbsttragendes Bauteil erreicht sind! Auch die Tatsache, dass sehr schnell Spannungen und Risse in der abgeschiedenen Wand entstehen, wenn die Wanddicke zu groß wird, sprach in der Vergangenheit gegen eine galvanische Herstellung von Bauteilen. Schließlich entstehen auch noch beim längeren Abscheiden immer größere Wanddickenunterschiede, wodurch sich in den dickeren Bereichen der Elektrodenabstand verringert und das ungleichmäßige Abscheiden immer weiter beschleunigt wird. Aus diesen Gründen war nach Expertenmeinung das galvanische Verfahren absolut ungeeignet, um Bauteile herzustellen, die größere mechanische Kräfte übernehmen können und die deshalb größere Wanddicken benötigen. Unter Missachtung dieses allgemeine Fachwissens durchgeführte Versuche haben überraschen gezeigt, dass man spezielle metallische Legierungen doch so abzuscheiden kann, dass auch bei größeren Wanddicken keine Spannungsrisse entstehen. Wenn man dann zusätzlich die galvanische Abscheidung öfters unterbricht, um die mit längeren Abscheideraten zunehmenden Wanddickenunterschiede, zum Beispiel durch Überfräsen der Oberfläche, zu beseitigen, und wenn man auch noch akzeptiert, dass die Herstellung eines dickwandigen Bauteils Monate dauern kann, dann lassen sich auf diese Weise Multifunktionsbauteile mit Eigenschaften herstellen, die bisher nicht herstellbar waren. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erstmals Multifunktionsbauteile herstellbar werden, die völlig neue, verbesserte technische Lösungen ermöglichen, sind die mit den langen Fertigungszeiten verbundenen Fertigungskosten von untergeordneter Bedeutung.
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Zur Herstellung von metallischen Bauteilen, die im Inneren einen abgeschlossenen Hohlraum besitzen sollen, ist es Stand der Technik zwei separate, getrennte Bauteile zusammenzuspannen oder aufeinander zu setzen, wie in DE 10 2804 030 380 A1 beschrieben, um den Hohlraum zu erzeugen. Dabei besteht allerdings die Gefahr, dass die Trennebene der beiden Bauteile nicht absolut dicht ist. Will man sicherstellen, dass der Hohlraum absolut dicht ist, muss man die beiden Teile umlaufend verschweißen. Dabei wird dass Bauteil stark erhitzt, und es bilden sich Schweißspannungen und unerwünschte Gefügeveränderungen im Bauteil aus. Ziel war es nun aber unter anderem ein Verfahren zu entwickeln, mit dem man metallische Bauteile mit definierten Hohlräumen herstellen kann, ohne dass das Bauteil dabei erhitzt werden muss, und ohne dass unerwünschte Schweißspannungen oder Gefügeveränderungen im Bauteil entstehen. Ziel war es auch speziell temperaturempfindliche Fremdkörper in ein einstückiges metallisches Bauteil, das ein homogenes Gefüge besitzt, einbetten oder einschließen zu können, ohne dass sie dabei thermisch zerstört werden. Weiterhin war es Ziel, erstmals die Herstellung von metallischen Bauteilen zu ermöglichen, die zumindest bereichsweise mehrere Einzelwände mit formgenau aneinanderliegenden Oberflächen aufweisen oder die extreme Wanddickenunterschiede besitzen.
Ziel war es bei der Entwicklung des Verfahrens aber auch, für viele andere Bereiche der Technik vorteilhafte Multifunktionsbauteile Urformen zu können, die bisher in der mit den Verfahren realisierbaren Eigenschaftskombination nicht herstellbar waren. So sollten mit dem Verfahren unter anderem beispielsweise mechanische Bauteile hergestellt werden können, die einerseits große linear elastische Verformungen zulassen andererseits aber auch großen mechanischen Kräften standhalten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sollten beispielsweise temperaturempfindliche Sensoren in komplexe dreidimensionale makroskopische Multifunktionsbauteile integriert werden, damit das hergestellte Bauteil neben seiner rein mechanischen Funktion gleichzeitig eine Sensorfunktion übernehmen kann. Derartige vorteilhafte Multifunktionsbauteile, bestehend aus einem stabilen, selbsttragenden, nahtlosen, vorzugsweise einstückigen metallischen Grundkörper mit makroskopischen Abmessungen und einem homogenen Gefüge, konnten nämlich mit den bisher bekannten Fertigungsverfahren nicht hergestellt werden.
Es gibt die unterschiedlichsten Formen von Sensoren zur Messung technischer Größen. Der Stand der Technik im Bereich der Herstellung von Sensoren wird in H.-R. Tränkler, E. Obermeier: Sensortechnik; Handbuch für Praxis und Wissenschaft, Springer Verlag 1998, beschrieben. Als Sensor wird danach: „heute die erste in sich abgeschlossene Komponente verstanden, die an ihrem Eingang die Messgröße aufnimmt und an ihrem Ausgang ein konditioniertes Messsignal liefert". Meist sind Sensorelemente mit aktiven Messschaltungen in einem gemeinsamen spezifisch für den Sensor ausgelegten Gehäuse zusammengefasst oder die Sensoren werden nachträglich, wie in DE 10 2805 015 691 A1 beschrieben, in ein vorgefertigtes Gehäuse integriert.
Die Erfindung betrifft nun das Verfahren, mit dem sowohl vorteilhafte Bauformen von Sensoren durch Urformung realisiert werden können, als auch die neuartigen Bauformen der Sensoren selbst realisierbar werden. Der Erfindung liegt unter anderem der generelle Gedanke zu Grunde, die Sensorelemente in ein Bauteil oder ein Maschinenelement zu integrieren, das in einer technischen Anlage oder Maschine ohnehin notwendig ist, da es eine technische Funktion übernimmt. Ziel war es somit beispielweise, dass man zum Messen der gewünschten technischen Größe kein separates Gehäuse für das Sensorelement benötigt, das dann auch noch in die Anlage oder Maschine integriert werden muss, um die jeweilige Größe messen zu können. Ziel war es, das Sensorelement in ein in der Anlage ohnehin vorhandenes Bauteil direkt zu integrieren. So wird aus dem Bauteil ein Multifunktionsbauteil. Es übernimmt zwei technische Funktionen, indem es einerseits die mechanische Aufgabenstellung innerhalb der Anlage erfüllt, andererseits aber auch gleichzeitig noch eine wichtige technische Prozessgröße misst.
Um die unterschiedlichen Ziele erreichen zu können, war es notwendig, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem stabile, selbsttragende, nahtlose, einstückige Bauteile oder Maschinenelemente mit makroskopischen Abmessungen aus einem homogenen metallischen Material hergestellt werden können, ohne dass sie an irgendeiner Stelle beispielsweise eine Schweißnaht besitzen und ohne dass an irgendeiner Stelle Änderungen in der Gefügestruktur auftreten, und die dennoch entweder partiell mehrwandig oder aber auch partiell sehr dünnwandig sind, oder die definierte Hohlräume besitzen, oder die andere Teile entweder komplett oder auch nur bereichsweise abdecken bzw. umschließen. Derartige Bauteile lassen sich mit konventionellen Verfahren entweder überhaupt nicht, oder aber nur aus mehreren Einzelteilen durch Anwendung der für Metalle bekannten Fügeverfahren, wie zum Beispiel durch Verschweißen, herstellen. Weiterhin musste dafür ein Verfahren gefunden werden, mit dem temperaturempfindliche Teile oder Systeme, zum Beispiel Sensoren, in metallische Bauteile formgenau eingegossen werden können, ohne dass sie dabei thermisch zerstört werden.
Das Verfahren sollte es unter anderem ermöglichen, Sensoren so zu bauen, dass: 1. sie unempfindlicher gegenüber einer möglichen Beschädigung sind,
2. der Einfluss von äußeren Störgrößen verringert wird,
3. das eigentliche Sensorelement direkt in ein ohnehin erforderliches Bauteil integriert werden kann,
4. keine komplizierten separaten Sensorgehäuse gefertigt werden müssen,
5. das eigentliche Sensorelement näher an die Stelle positioniert werden kann, an der die technische Größe gemessen werden soll,
6. das fertige Bauteil gleichzeitig als Sensor fungieren kann,
7. Störungen in technischen Prozessen durch den Einbau von Sensoren verhindert werden.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass stabile, selbsttragende, nahtlose, oder auch einstückige metallische Bauteile mit makroskopischen Abmessungen aus einem homogenen metallischen Material durch Galvanoformung hergestellt werden, und dass der Abscheideprozess am Ende einer ersten Fertigungsstufe nach Erreichen einer bestimmten Zwischengeometrie des Multifunktionsbauteils unterbrochen wird, und dass ein Bereich der Zwischengeometrieoberfläche in mindestens einer nachgeschalteten nicht galvanischen Fertigungsstufe mit etwas so behandelt wird, dass sich die chemischen oder die physikalischen Eigenschaften des behandelten Oberflächenbereichs verändern oder dass bereichsweise eine neue Oberfläche geschaffen wird, und dass man danach in mindestens einer nachgeschalteten zweiten galvanischen Fertigungsstufe die Dicke der Zwischengeometrie weiter anwachsen lässt, wobei in mindestens einem Teilbereich des Multifunktionsbauteils eine Grenzfläche entsteht.
Unter einer Grenzfläche sei in dieser Anmeldung eine Fläche innerhalb eines Bauteils verstanden, die keine Ausdehnung in Dickenrichtung besitzt, in der aber ein Knick bzw. eine Unstetigkeit im Spannungsverlauf auftritt, wenn das Bauteil belastet wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn in der Grenzfläche die Oberflächen von zwei Einzelwänden ohne jeden Zwischenspalt formgenau aufeinanderiiegen. Formgenau heißt in diesem Zusammenhang, dass das Materia!, das im neuerlichen Abscheideprozess abgeschieden wird, sich in idealer Weise auf die jeweils vorhandene Oberfläche abscheidet. Dabei werden auch mikroskopische Unebenheiten in der Oberfläche exakt nachgebildet, ohne dass in der Grenzfläche irgendwelche Spalte oder Hohlräume entstehen, so dass im Bereich der Grenzfläche das Positiv der mikroskopischen Oberflächenstruktur der Unterseite der Wand gleich dem Negativ der Oberseite der angrenzenden Wand ist. Bauteile mit einem sehr großen linear elastischen Deformationsvermögen lassen sich herstellen, wenn man erfindungsgemäß Bauteile mindestens partiell mehrwandig herstellt und wenn in den Grenzflächen zwischen den einzelnen Einzelwänden keine Haftung besteht. Dies kann man erreichen, wenn man wenigstens auf einen Bereich der erzeugten Zwischengeometrie ein Gas, eine Flüssigkeit oder eine Chemikalie aufträgt. Durch derartige Agenzien kann die Oberfläche des Bauteils in seinen physikalischen oder chemischen Eigenschaften verändert werden, ohne dass sich dadurch eine messbare Veränderung der Dicke des Bauteils ergibt. Durch die Veränderung der physikalischen oder chemischen
Oberflächeneigenschaft können gezielt Bereiche auf der Oberfläche der Zwischengeometrie erzeugt werden, in denen bei Fortführung des galvanischen Abscheideprozesses sich zwar Material formgenau auf der Oberfläche abscheidet, aber nicht auf dem Untergrund haftet. Auf diese Weise entstehen dann in einem Multifunktionsbauteil aus einem homogenen Material Bereiche, in denen mehrere Einzelwände existieren, deren Oberflächen absolut dicht aufeinanderiiegen, die sich jedoch relativ zueinander verschieben können
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich erstmals mehrwandige, nahtlose, einstückige, metallische Multifunktionsbauteile herstellen, bei denen die Einzelwände in ihrer Gesamtheit oder aber auch nur bereichsweise formgenau aufeinanderiiegen. Auf diese Weise kann man beispielsweise auch nahtlose, mehrwandige, metallische O-Ringe oder dynamisch zu betätigende Dichtungen herstellen. Die O-Ringe zeichnen sich dabei durch einen gegenüber konventionellen einwandigen O-Ringen deutlich vergrößerten linear elastischen Deformationsbereich aus. Bei dynamisch betätigten Dichtungen kann man diesen vergrößerten Deformationsbereich nutzen, um einen Spalt gezielt zu verschließen bzw. wieder zu öffnen.
Dies kann man erfindungsgemäß erreichen, indem man die nach der ersten Fertigungsstufe erhaltene Zwischengeometrieoberfläche in der nachgeschalteten nicht galvanischen Fertigungsstufe so behandelt, dass die chemischen oder die physikalischen Eigenschaften der Zwischengeometrieoberfläche verändert werden. Damit kann erreicht werden, dass beim nachgeschalteten weiteren galvanischen Fertigungsschritt in dem behandelten Oberflächenbereich der Zwischengeometrie zwar eine Schicht formgenau abgeschieden wird, dass aber diese Schicht keine Haftung zu der Oberfläche der Zwischengeometrie eingeht. Will man beispielsweise eine partiell mehrwandige Platte mit einheitlicher Wanddicke herstellen, dann ist es vorteilhaft, wenn sich durch die nicht galvanische Behandlung der Oberfläche der Zwischengeometrie die Dicke des Bauteils nicht verändert.
Besonders interessant ist es natürlich, dass man erfindungsgemäß auch ein partiell mehrwandiges Multifunktionsbauteil einstückig herstellen kann, wobei sich im mehrwandigen Bereich Grenzflächen mit Einzelwänden, die formgenau aufeinanderiiegen, befinden. Einstückig heißt, dass das Multifunktionsbauteil nur aus einem einzigen homogenen Material besteht und dass das Multifunktionsbauteil eine Grenzfläche aber keine Fügenähte besitzt.
Will man einstückige Multifunktionsbauteüe herstellen, die einen Hohlraum besitzen, so kann man das erfindungsgemäß realisieren, indem man auf die Zwischengeometrieoberfläche etwas aufträgt, was, nachdem es dann im nachfolgenden neuerlichen Abscheideprozess mit einer weiteren Galvanoschicht formgenau abgedeckt worden ist, durch eine Öffnung wieder herausgeschmolzen oder herausgelöst wird, so dass im hergestellten Bauteil ein Hohlraum entsteht. Die Öffnung lässt sich in einem weiteren galvanischen Schritt verschließen, so dass ein einstückiges, nahtloses Multifunktionsbauteil mit einem nach außen abgeschlossenen Hohlraum entsteht.
Zur Herstellung von Multifunktionsbauteilen mit Sensorfunktion lassen sich mit dem Verfahren Teile, wie beispielsweise Temperatursensoren, bei Temperaturen von weniger als 70 0C zumindest partiell von einem metallischen Material, das einen Schmelzpunkt von größer 70 0C vorzugsweise jedoch größer als 2800C besitzt, unter Bildung einer Grenzfläche mit einer Zwischengeometrie verbinden. Mit dem Verfahren lassen sich auch in einfacher Weise stabile, selbsttragende einstückige Multifunktionsbauteile, die zumindest bereichsweise Wanddicken von 1 mm vorzugsweise sogar 5 mm und größer sowie aber auch bereichsweise von 0,5 mm vorzugsweise sogar 0,1 mm und kleiner besitzen, oder die ein Wanddickenverhältnis zwischen der größten Wanddicke und der kleinsten Wanddicke von größer 100, vorzugsweise sogar größer 1000 besitzen, herstellen. Es lassen sich erfindungsgemäß auch erstmals metallische Multifunktionsbauteile, die einen mehrwandigen Bereich besitzen, der ringsum von einem einwandigen Bereich umgeben ist, herstellen.
Das Verfahren eignet sich unter anderem, um nahtlose, metallische Multifunktionsbauteile mit einer homogenen Gefügestruktur herzustellen, die wenigstens einen Bereich besitzen, in dem sich eine Grenzfläche zwischen zwei Einzelwänden befindet, wobei die Oberflächen der Einzelwände ohne jeden Zwischenspalt formgenau aufeinanderliegen, so dass im Bereich der Grenzfläche das Positiv der mikroskopischen Oberflächenstruktur der Unterseite der Wand gleich dem Negativ der Oberseite der angrenzenden Wand ist. Man kann aber auch homogene, partiell mehrwandige metallische Multifunktionsbauteile herstellen, bei denen sogar der mehrwandige Bereich vollständig von einem einwandigen Bereich umschlossen ist.
Es lassen sich auch Multifunktionsbauteile herstellen, bei denen die metallische Oberfläche zusätzlich mit einem weiteren Teil haftend oder formschlüssig verbunden ist, oder bei denen in das Multifunktionsbauteil wenigstens eine Wand integriert ist, die aus einem anderen Material besteht, oder bei denen das aus einem anderen Material bestehende Teil über seinen gesamten Umfang fest, das heißt gas- und mediendicht mit dem homogenen, einstückigen, metallischen Material verbunden oder umschlossen ist. Auch Multifunktionsbauteile, bei denen wenigstens eine einzelne Wand des homogenen, einstückigen, metallischen Materials eine Dicke von kleiner gleich 0,5 mm vorzugsweise sogar kleiner 0,0001 mm aufweist oder bei denen das homogene, einstückige, metallische Material wenigstens einen Hohlraum aufweist, der komplett nach außen abgeschlossen ist, sind realisierbar. Besonders interessant ist der Einsatz des Verfahrens zur Herstellung von Multifunktionsbauteilen mit Sensorfunktion, wobei ein Sensorelement, dessen Oberfläche zumindest bereichsweise formgenau mit einem homogenen, einstückigen, metallischen Material abgedeckt ist, in das Bauteil integriert ist, wobei selbst die vom Sensorelement ausgehende Signalleitung mindestens über eine bestimmte Länge vom homogenen, einstückigen, metallischen Material des Multifunktionsbauteils umschlossen ist. Je nach Einsatzzweck kann es wichtig sein, dass das homogene, einstückige, metallische Material, dass das Sensorelement formgenau umschließt, resistent gegen Korrosion ist oder aber dass die Sensoroberfläche und die den Sensor formschlüssig umgebende homogene, einstückige, metallische Oberfläche haftend miteinander verbunden sind oder dass das homogene, einstückige, metallische Material, das das Sensorelement formgenau umschließt, einen Schmelzpunkt oberhalb 280 0C vorzugsweise sogar oberhalb 6000C besitzt.
Für Spezialanwendungen kann es notwendig sein, dass das den Sensor umgebende homogene, einstückige, metallische Material wenigstens einen Hohlraum aufweist, der vollständig nach außen abgeschlossen ist und der teilweise oder vollständig mit einer anderen Substanz gefüllt ist oder aber dass sich das Sensorelement selbst in einem Hohlraum des homogenen, einstückigen, metallischen Materials befindet, und dass wenigstens eine den Hohlraum begrenzende Wand eine bewegliche Membran ist. Auf diese Weise kann man beispielweise ein einstückiges Rohr mit zwei einwandigen Endbereichen herstellen, das zwischen den zwei einwandigen Rohrendbereichen zumindest einen Wandbereich besitzt, der bei einer Änderung des im Rohr herrschenden Drucks membranartig beweglich ist, so dass der im Rohrstück herrschende Innendruck gemessen werden kann. Ist in dem Rohrstück auch noch ein Temperaturfühler erfindungsgemäß integriert, dann kann zum Beispiel in einer Rohrleitung der Druck und die Temperatur gemessen werden, ohne dass man ein T-Stück in die Rohrleitung integrieren muss, ohne dass man einen zusätzlichen Sensor anflanschen muss, und ohne dass die im Rohr befindliche Strömung durch den Einbau von Sensoren gestört wird. Man kann natürlich auch Multifunktionsbauteile unter Verwendung des Verfahrens herstellen, bei denen das homogene, einstückige, metallische Material die Geometrie eines fertigen funktionstüchtigen Sensorgehäuses besitzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur stufenweisen galvanischen Urformung eines stabilen, selbsttragenden, Bauteils, das makroskopische Abmessungen besitzt, das vorwiegend aus einem homogenen metallischen Material besteht, und das in einer Baugruppe eine mechanische Funktion übernehmen kann, ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Abscheideprozess am Ende einer ersten Fertigungsstufe nach Erreichen einer bestimmten Zwischengeometrie des Multifunktionsbauteils unterbrochen wird, und dass ein Bereich der Oberfläche der Zwischengeometrie in mindestens einer nachgeschalteten nicht galvanischen Fertigungsstufe mit etwas so behandelt wird, dass sich die chemischen oder die physikalischen Eigenschaften des behandelten Oberflächenbereichs verändern oder dass bereichsweise eine neue Oberfläche geschaffen wird, und dass man danach in mindestens einer nachgeschalteten zweiten galvanischen Fertigungsstufe die Dicke der Zwischengeometrie weiter anwachsen lässt, wobei in mindestens einem Teilbereich des Multifunktionsbauteils eine Grenzfläche entsteht.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass in der Grenzfläche die Oberflächen von zwei Einzelwänden ohne jeden Zwischenspalt formgenau aufeinanderliegen, so dass im Bereich der Grenzfläche das Positiv der mikroskopischen Oberflächenstruktur der Unterseite der Einzelwand gleich dem Negativ der Oberseite der angrenzenden Einzelwand ist.
Es kann vorgesehen sein, dass im Bereich, in dem die Oberfläche der Zwischengeometrie in der nachgeschalteten nicht galvanischen Fertigungsstufe behandelt wird, die Dicke des Multifunktionsbauteils nicht verändert wird, dass aber die chemischen oder die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche der Zwischengeometrie verändert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das metallische Multifunktionsbauteil einstückig ist.
Es kann vorgesehen sein, dass auf die Oberfläche der Zwischengeometrie etwas aufgetragen wird, was, nachdem es dann im nachfolgenden neuerlichen Abscheideprozess mit einer weiteren Galvanoschicht formgenau abgedeckt worden ist, durch eine Öffnung wieder herausgeschmolzen oder herausgelöst wird, so dass im hergestellten Multifunktionsbauteil ein Hohlraum entsteht.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Öffnung in einem weiteren galvanischen Fertigungsschritt unter Bildung einer Grenzfläche verschlossen wird.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Teil, wie beispielsweise ein Temperatursensor, bei Temperaturen von weniger als 70 0C zumindest partiell von einem metallischen Material einer Wand, das einen Schmelzpunkt von größer 70 0C vorzugsweise jedoch größer als 2800C besitzt, unter Bildung einer Grenzfläche mit der Oberfläche einer Zwischengeometrie verbunden wird.
Es kann vorgesehen sein, dass stabile, selbsttragende einstückige Multifunktionsbauteile, die zumindest bereichsweise Wanddicken von 1 mm und größer sowie aber auch bereichsweise von 0,5 mm, und kleiner besitzen, hergestellt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass Multifunktionsbauteile mit einem Wanddickenverhältnis zwischen der größten Wanddicke (D) im Bereich 20 und der kleinsten Wanddicke (d22, d23,d24) von größer 100, vorzugsweise sogar größer 1000, hergestellt werden. Es kann vorgesehen sein, dass metallische Multifunktionsbauteile, die einen mehrwandigen Mittelbereich besitzen, der ringsum von einem einwandigen Randbereich umgeben ist, hergestellt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass nahtlose metallische O-Ringe (50) hergestellt werden
Die Erfindung betrifft auch ein nahtloses metallisches Multifunktionsbauteil mit einer homogenen Gefügestruktur, das unter Verwendung eines vorangehend genannten Verfahrens hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das Multifunktionsbauteil wenigstens einen Bereich besitzt, in dem sich eine Grenzfläche zwischen zwei Einzelwänden befindet, wobei die Oberflächen der Einzelwände ohne jeden Zwischenspalt formgenau aufeinandertiegen, so dass im Bereich der Grenzfläche das Positiv der mikroskopischen Oberflächenstruktur der Unterseite der Einzelwand gleich dem Negativ der Oberseite der angrenzenden Einzelwand ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das homogene, metallische, Material partiell mehrwandig ist.
Es kann vorgesehen sein, dass im Multifunktionsbauteile ein mehrwandiger Mittelbereich vollständig von einem einwandigen Randbereich umschlossen ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das homogene, einstückige, metallische Material der Wand, dass den Temperatursensor formgenau umschließt, resistent gegen Korrosion ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Dehnmessstreifens haftend mit dem metallischen Material der Wand verbunden ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das metallische Material der Wand zusätzlich mit einem weiteren Teil haftend oder formschlüssig verbunden ist.
Es kann vorgesehen sein, dass in das homogene, einstückige, metallische Material der Wand wenigstens eine Einzelwand integriert ist, die aus einem anderen Material besteht.
Es kann vorgesehen sein, dass in das homogene, einstückige, metallische Material der Wand wenigstens eine Einzelwand, beispielsweise die Wand des Dehnmessstreifens, integriert ist, die aus einem anderen Material besteht und die über ihren gesamten Umfang fest, das heißt gas- und mediendicht mit dem homogenen, einstückigen, metallischen Material der Wand verbunden ist. Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Einzelwand des homogenen, einstückigen, metallischen Materials eine Dicke von kleiner gleich 0,5 mm vorzugsweise sogar kleiner 0,0001 mm aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass das homogene, einstückige, metallische Material wenigstens einen Hohlraum aufweist, der komplett nach außen abgeschlossen ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das Multifunktionsbauteil einen integrierten Temperatursensor aufweist und dass die Oberfläche des Temperatursensors mit dem Verfahren zumindest bereichsweise formgenau mit dem homogenen, einstückigen, metallischen Material der Wand abgedeckt ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die vom Temperatursensor ausgehende Signalleitung mindestens über eine bestimmte Länge vom homogenen, einstückigen, metallischen Material der Wand (1) umschlossen ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das homogene, einstückige, metallische Material der Wand, dass den Temperatursensor formgenau umschließt, einen Schmelzpunkt oberhalb 280 0C besitzt.
Es kann vorgesehen sein, dass das den Temperatursensor umgebende homogene, einstückige, metallische Material der Wand wenigstens einen Hohlraum aufweist, der vollständig nach außen abgeschlossen ist und der teilweise oder vollständig mit einer anderen Substanz gefüllt ist.
Es kann vorgesehen sein, dass sich die Kondensator-Elektrode in einem Hohlraum des homogenen, einstückigen, metallischen Materials befindet.
Es kann vorgesehen sein, dass das die Kondensator-Elektrode umgebende homogene, einstückige, metallische Material der Wand wenigstens einen Hohlraum aufweist, und dass wenigstens eine den Hohlraum begrenzende Einzelwand eine bewegliche Membran ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das homogene, einstückige, metallische Material der Wand die Geometrie eines fertigen funktionstüchtigen Sensorgehäuses besitzt.
Es kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Multifunktionsbauteil um ein einstückiges Rohr mit zwei einwandigen Endbereichen handelt, und dass zwischen den zwei einwandigen Rohrendbereichen zumindest eine Einzelwand existiert, die bei einer Änderung des im Rohr herrschenden Drucks membranartig beweglich ist.
Weitere Details des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen einzelner Ausführungsformen sowie einzelner Anordnungen an Hand der Zeichnungen. Es zeigen: Fig. 1 Ein einstückiges quadratisches Multifunktionsbauteil 20, das im gesamten Randbereich 28 einwandig und im Mittelbereich 21 dreiwandig ist, Fig. 2 einen Schnitt durch die Fig. 1 entlang der Linie A-A, Fig. 3 einen Schnitt durch ein Multifunktionsbauteil 20 mit identischen Außenabmaßen wie in Fig. 1 aber mit einem Hohlraum 27 im Mittelbereich 21, Fig. 4 eine Schnittansicht einer metallischen Dichtung 30, deren Abmessungen über eine Veränderung des
Drucks im Hohlraum 34 variiert werden können,
Fig. 5 einen mehrwandigen, nahtlosen, metallischen O-Ring 50, bei dem die Oberflächen der einzelnen Einzelwände 51 bis 53 formgenau aufeinanderliegen,
Fig. 6 eine Schnittdarstellung des O-Rings 50 nach Fig. 5 entlang der Linie B-B1
Fig. 7 eine stark vergrößerte Schnittdarstellung durch eine metallische Wand 1 eines Multifunktionsbauteils 20 mit einem erfindungsgemäß eingebetteten Temperatursensor 2,
Fig. 8 eine stark vergrößerte Schnittdarstellung durch eine Wand 1 eines Multifunktionsbauteils 20, in das mehrere unterschiedliche Sensorelemente 2, 5 und 13 integriert sind.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäß hergestelltes stabiles, selbsttragendes, nahtloses, einstückiges Multifunktionsbauteil 20 mit einem homogenen Gefüge. Es besitzt einen starren, umlaufenden, einwandigen, dicken Randbereich 28 und in der Mitte einen dreiwandigen flexiblen Mittelbereich 21 , der von dem Randbereich 28 komplett umgeben ist. Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung entsprechend der in Fig. 1 gezeigten Linie A-A. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, besitzen die Oberflächen der Einzelwände 22-24 einen innigen Kontakt zueinander, das heißt, die Summe der Einzelwanddicken d22, d23 und d24 entspricht exakt der Wanddicke D des mehrwandigen Mittelbereichs 21. Zwischen den Oberflächen der Einzelwände 22-24 befinden sich erfindungsgemäß Grenzflächen 25 und 26. Die Oberflächen der Einzelwände 22-24 liegen folglich ohne jeden Zwischenspalt formgenau aufeinander, so dass im Bereich der Grenzflächen 25, 26 das Positiv der mikroskopischen Oberflächenstruktur der Unterseite der Einezelwände 22 und 23 gleich dem Negativ der Oberseite der angrenzenden Einzelwände 23 und 24 ist. Trennt man beispielweise aus dem Mittelbereich 21 des Multifunktionsbauteils 20 entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Linie 29 einen Teilbereich heraus, so erhält man drei einzelne separate Wandstücke der Einzelwände 22-24. Natürlich kann der Mittelbereich 21 auch aus mehr als drei Einzelwänden 22-24 aufgebaut sein. Um eine Relativbewegung in den Grenzflächen 25 und 26 zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Oberflächen der Einzelwände 22 bis 24 eine absolut ebene von kleinsten Erhebungen oder Vertiefungen freie Oberfläche besitzen.
Da das erfindungsgemäße Multifunktionsbauteil 20 im Querschnitt nicht gezeichnet werden kann, ohne die gültigen Zeichenregeln des Maschinenbaus zu verletzen, gelten für die Darstellungen in den Figuren 2,3,4,6,7 und 8 dieser Anmeldung neue Definitionen. In den Figuren in gleicher Richtung aber versetzt gestrichelte Bereiche sind Einzelwände eines homogenen Multifunktionsbauteils 2O1 30, 50, die aus ein und demselben Material bestehen, und deren Oberflächen sich relativ zueinander verschieben können. Linien zwischen versetzt gestrichelten Bereichen kennzeichnen Grenzflächen 25, 26, 41 , 42, und 54, 55 zwischen Einzelwänden aus einem homogenen Material der Wand 1 , deren Oberflächen sich gegeneinander verschieben können, die aber einen innigen Kontakt besitzen, so dass im Bereich der Grenzfläche das Positiv der mikroskopischen Oberflächenstruktur der Unterseite einer Einzelwand gleich dem Negativ der Oberseite der angrenzenden Einzelwand ist. Gepunktete Linien kennzeichnen Oberflächen 17 einer Zwischengeometrie, die jeweils am Ende einer galvanischen Fertigungsstufe vorhanden sind.
Die Dicke der Einzelwände 22-24 in Fig. 2, sowie die des Randbereichs 28, kann sich dabei vom Nanometerbereich bis in den Zentimeterbereich bewegen. Die Einzelwände können eben oder auch beliebig dreidimensional gekrümmt sein. Die beispielhaft in Fig. 2 gezeigte sinusförmige Geometrie verleiht dem Mittelbereich 21 eine gewisse Dehnfähigkeit, so dass sich der Mittelbereich 21 bei Einwirkung äußerer Kräfte in hohem Maß elastisch verformen kann, während der Randbereich 28 quasi starr bleibt. Erfindungsgemäß können auch Multifunktionsbauteile 20 hergestellt werden, die einen Hohlraum 27 aufweisen. Fig. 3 zeigt das Multifunktionsbauteil 20 aus Fig. 1, bei dem die Einzelwand 23 durch einen Hohlraum 27 ersetzt ist. In diesem Hohlraum 27 können sich unterschiedliche Gase, Flüssigkeiten oder auch feste Gegenstände befinden, wobei der Hohlraum 27 nicht notwendigerweise komplett ausgefüllt sein muss.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich beispielsweise auch dynamisch betätigte stabile, selbsttragende, nahtlose, einstückige metallische Dichtungen herstellen. In Fig. 4 ist der Querschnitt durch die Einzelwände 31-33 eines stabilen, selbsttragenden, nahtlosen, einstückigen Dichtrings 30 gezeigt, mit dem der Spalt S zwischen zwei Bauteilen 39, 40 geschlossen oder geöffnet werden kann. Der Dichtring 30 besteht wiederum aus mehreren Einzelwänden 31-33. Auch in diesem Fall befindet sich in den Grenzflächen 41 und 42 zwischen den Oberflächen der Einzelwände 31-33 absolut kein Zwischenraum. Somit stützen sich die Einzelwände 31-33 in idealer Weise gegeneinander ab. Dennoch ist eine Relativbewegung der Oberflächen der Einzelwände 31-33 zueinander möglich, da in den Grenzflächen 41 und 42 keine Haftung zwischen den Einzelwänden 31 bis 33 besteht. Füllt man den Hohlraum 34 des Dichtringes 30 durch eine im Dichtring befindliche Öffnung 37 mit einem Druckübertragungsmedium, dann kann man mit Hilfe dieses erfindungsgemäß hergestellten Dichtrings 30 einen Spalt S zwischen zwei Bauteilen 39, 40 entweder komplett schließen oder aber partiell freigeben. Bei Erhöhung des Innendrucks im Hohlraum 34 wird sich die Amplitude der sinusförmigen Wellung der Einzelwände 31-33 verringern, und den Spalt S zwischen den beiden Bauteilen 39 und 40 komplett verschließen. Bei Reduzierung des Innendrucks wird sich die Amplitude wieder vergrößern und damit der Dichtring 30 wieder die Ausgangsgeometrie einnehmen. Damit wird der Spalt a zwischen der Dichtung 30 und dem Bauteil 39 wieder freigegeben. Lediglich im Nahbereich der Einspeiseöffnung 37 und des Einspeisezapfens 38 ist der stabile, selbsttragende, nahtlose, einstückige Dichtring 30 einwandig. Damit ist sichergestellt, dass kein Druckübertragungsmedium zwischen die Einzelwände 31-33 gelangen kann. Da auch der Einspeisezapfen 38 Bestandteil des homogenen einstückigen Dichtrings 30 ist, gibt es in diesem Bereich auch keine störenden Schweißspannungen oder Härteunterschiede in dem Dichtring 30, wie sie bei einer konventionellen Fertigung unvermeidbar wären.
Fig. 5 zeigt als weiteres Beispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Multifunktionsbauteils einen nahtlosen mehrwandigen O-Ring 50, der einen Hohlraum 56 besitzt. Fig. 6 zeigt einen stark vergrößerten Querschnitt durch den O-Ring 50 aus Fig. 5 entlang der Linie B-B. Er besteht aus drei Einzelwänden 51-53, zwischen denen sich zwei Grenzflächen 54 und 55 befinden, in denen die Oberflächen der Einzelwände formgenau aufeinanderiiegen. Auch bei dieser Anwendung ist es für das Abgleiten der Oberflächen der Einzelwände 51 bis 53 natürlich vorteilhaft, wenn die Oberflächen absolut eben sind. Sowohl die Dicke als auch die Anzahl der Einzelwände kann beliebig gewählt werden, um die Dichtkraft und den linear elastischen Deformationsbereich den Anforderungen der Anwendung anzupassen. Natürlich können die Einzelwände 51-53 auch aus unterschiedlichen Materialien bestehen, um spezifische Dichteigenschaften zu erreichen oder aber auch um das Abgleiten der Oberflächen der Einzelwände 51 bis 53 in den Grenzflächen 54 und 55 zu unterstützen.
In der Fig. 7 ist ein erfindungsgemäßes Multifunktionsbauteil 20 in einer Schnittdarstellung durch die Wand 1 in einer stark vergrößerten Form dargestellt. Zur Herstellung des Multifunktionsbauteils 20 wird auf einen Träger 19 in einer ersten galvanischen Fertigungsstufe eine metallische Schicht mit der Wanddicke d nicht haftend aufgalvanisiert. Dann wird auf die freie Oberfläche 17, der so erzeugten Zwischengeometrie der Temperatursensor 2 aufgebracht. Damit wird bereichsweise auf der Oberfläche 17 der Zwischengeometrie eine neue Oberfläche, nämlich die des Temperatursensors 2, geschaffen. Das Aufbringen kann durch einfaches mechanisches Fixieren oder aber auch durch Aufkleben erfolgen. Danach wird die Oberfläche des Temperatursensors 2 und der Signalleitung 3 beispielweise durch Auftragen eines Leitlacks leitfähig gemacht. Natürlich können nicht leitfähige Teile, die auf die Oberfläche 17 der Zwischengeometrie aufgebracht werden, auch vor dem Aufbringen leitfähig gemacht werden. Beim Fortsetzen des galvanischen Abscheideprozesses wächst die Wanddicke des Multifunktionsbauteils 20 weiter an, wobei gleichzeitig die Oberflächen des Temperatursensors 2 mit einer homogenen einstückigen, metallischen Wand 1 formgenau umschlossen und somit von der Umgebung abgeschlossen werden. Natürlich kann man auch statt des Temperatursensors 2 beliebige andere Teile oder Materialien auf die Oberfläche 17 der Zwischengeometrie aufbringen und sie dann nachfolgend formgenau abdecken. Es lassen sich auf diese Weise nahezu alle festen Materialien oder sogar ganze elektronische Baugruppen von einem homogenen metallischen Material einer Wand 1 zumindest partiell formschlüssig abdecken. In der homogenen, einstückigen, metallischen Wand 1 kann beispielsweise ein PtIOO oder ein einfacher Nickel- Eisen Temperatursensor 2 formgenau eingegossen bzw. eingeschlossen werden. Als Wandmaterialien kommen vorzugsweise Metalle wie Aluminium, Nickel, Kupfer, Chrom, Kobalt, Silber, Gold oder ähnliche in reiner Form oder aber auch als Verbindung bzw. in legierter Form in Frage. Vom Temperatursensor 2 führen die zwei Signalleitungen 3, die ebenfalls vollständig formschlüssig von dem homogenen, einstückigen, metallischen Material der Wand 1 umschlossen sind, an die Oberfläche. Damit durch den Kontakt des Temperatursensors 2 mit dem metallischen Material der Wand 1 keine Fehlspannungen entstehen können, ist der Temperatursensor 2 komplett mit einer dünnen elektrisch isolierenden Schicht 4 überzogen. Im einfachsten Fall kann dies ein Isolierlack sein.
Die im Schnitt dargestellte Wand 1 kann nun Teil einer Rohrleitung, einer Welle, eines Gehäuses oder etwas ähnlichem sein, wobei das Multifunktionsbauteil 20 eine komplexe dreidimensionale Geometrie aufweisen kann. Will man beispielsweise die Temperatur der Wandoberfläche 18 messen, so bietet es sich an, den Abstand d des Temperatursensors 2 von der zu messenden Wandoberfläche 18 so klein wie möglich zu machen. Besonders vorteilhaft sind Abstände d von 0,1 mm und kleiner. Die Wanddicke D der metallischen Wand 1 ist prinzipiell frei wählbar, sie sollte aber vorzugsweise wenigstens minimal größer sein als die Summe aus dem Radius R des Temperatursensors 2 und dem Abstand d, um sicherzustellen, dass der Temperatursensor 2 sich nicht aus der Wand 1 herauslösen kann. Zur Messung des Temperaturprofils in der Wand 1 können beliebig viele weitere Temperatursensoren 2 in beliebigem Abstand zu der Wandoberfläche 18 in die Wand 1 integriert werden.
Bei dem in Fig. 8 im Schnitt dargestellten Multifunktionsbauteil 20, sind mehrere unterschiedliche Sensorelemente 2, 5 und 13 integriert. So ist beispielsweise ein Dehnmessstreifen 5 in dem homogenen, einstückigen, metallischen Materials der Wand 1 eingebettet. Er befindet sich zwischen zwei dünnen Einzelwänden 6 und 7 des homogenen, einstückigen, nahtlosen, metallischen Material der Wand 1. Ober- und unterhalb der beiden Einzelwände 6 und 7 können sich zum Beispiel zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Sensors beliebig viele weitere Einzelwände befinden. Die Wanddicken a bzw. b, dier Einzelwände 6, 7, können entsprechend der jeweiligen Anwendung beliebig dimensioniert werden. In aller Regel sollten sie kleiner 1 mm vorzugsweise kleiner 0,1 mm sein. Sie können natürlich auch jede beliebige größere Dicke aufweisen. Die Einzelwände 6, 7 müssen nicht zwangsweise gerade sein, sondern können auch zur Erhöhung der Beweglichkeit bzw. der Empfindlichkeit eine gewölbte Form, wie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt, besitzen. Für manche Anwendungen ist es von Vorteil, wenn einzelne Einzelwände aus einer anderen Legierung als die des umgebenden homogenen, einstückigen, metallischen Materials der Wand 1 bestehen, wobei sie ringsum fest mit dem homogenen Material der Wand 1 verbunden sind.
Die Signalleitung 3 des Dehnmessstreifens 5 ist wiederum von dem homogenen Material der Wand 1 formgenau umschlossen, bis sie an der Oberfläche der Wnand 1 nach außen tritt. Die Oberflächen der Einzelwände 6 und 7 liegen im Bereich der Grenzfläche 8 ohne jeden Spalt absolut dicht und formgenau aufeinander. Auch in den Grenzflächen 8 und 9 zwischen dem eingebetteten Dehnmessstreifen 5 und dem umgebenden metallischen Material der Wand 1 gibt es an keiner Stelle einen Hohlraum oder einen Spalt. Der Dehnmessstreifen 5 und die Signalleitung 3 sind somit fest und formgenau in das Material der Wand 1 eingegossen. Je nach Anwendung kann es vorteilhaft sein, dass der Dehnmessstreifen 5 in den Grenzflächen 8 und 9 nicht mit den Oberflächen der sie umgebenden metallischen Einzelwände 6, 7 haftend verbunden ist, oder aber dass er mit einer oder auch beiden Oberflächen des metallischen Materials 1 fest haftend verbunden ist.
Weiterhin kann das Multifunktionsbauteil 20 einen Hohlraum 10 besitzen, der entweder vollständig von dem Material der Wand 1 umschlossen ist oder aber über eine Bohrung 11 eine Verbindung zur Umgebung besitzt.
Einen derartigen Hohlraum 10 kann man in einfacher Weise erzeugen, indem man auf die Oberfläche 17 der erzeugten Zwischengeometrie beispielsweise eine nicht leitfähige Platte, die die Umfangsgeometrie des gewünschten Hohlraums 10 besitzt, aufbringt, und dass man dann bei Fortführung des galvanischen
Abscheideprozesses die Wanddicke der Zwischengeometrie des Multifunktionsbauteils 20 weiter aufdickt. Dann wird der Abscheideprozess ein weiteres Mal unterbrochen, um die nicht leitfähige Platte von der Oberfläche wieder zu entfernen, und um die Öffnung des Hohlraums 10 mit einer metallischen Platte abzudecken.
Schließlich wird die metallische Platte mit dem Bauteil in einer weiteren galvanischen Fertigungsstufe mit der
Zwischengeometrie des Multifunktionsbauteils 20 zusammengalvanisiert. Wenn die Abdeckplatte aus dem gleichen metallischen Material besteht, was nicht notwendigerweise sein muss, dann erhält man auf diese Weise ein einstückiges, metallisches Multifunktionsbauteil 20 mit einem abgeschlossenen Hohlraum 10.
Auf den sich gegenüberliegenden Oberflächen 12 des Hohlraums 10 können nun beispielsweise Kondensator- Elektroden 13 aufgebracht werden. Der Hohlraum 10 wiederum kann zusätzlich mit einem Gas, mit einer Flüssigkeit oder auch mit einem Feststoff, z. B mit einem Pulver, gefüllt sein. Bei druckbedingten Deformationen der Einzelwände 6 und 7 kann dieser Bereich als kapazitiver Sensor wirken. Ähnlich wie bei den Einzelwänden 6 und 7 kann das Multifunktionsbauteil 20 natürlich auch mehrere derartige Hohlräume 10 besitzen, die entweder abgeschlossen sind oder aber auch mit der Umgebung verbunden sein können.
Darüber hinaus kann auch noch ein Temperatursensor 2, der wie für die Figur 7 beschrieben, in dem Material der Wand 1 eingebettet ist, in das Multifunktionsbauteil 20 nach Fig. 8 integriert sein. Die Kombination aus
Dehnmessstreifen 5 und Kondensator-Elektroden 13 und Temperaturfühler 2 in einem einzigen
Multifunktionsbauteil 20 ist geeignet, die Präzision der Messung gegenüber konventionellen Sensoren, die nur nach einem oder zwei physikalischen Prinzipien messen, weiter zu erhöhen. Der integrierte Temperatursensor 2 kann dabei eine eventuell vorhandene Temperaturdrift erfassen, um Temperatureinflüsse im Multifunktionsbauteil 20 in der nachgeschalteten Sensorelektronik berücksichtigen und damit auch eliminieren zu können. Prinzipiell lassen sich fast alle bekannten physikalischen Wirkprinzipien in derartigen Multifunktionsbauteilen 20 integrieren. Mit den in die Multifunktionsbauteile 20 integrierten Sensoren 2, 5, 13 können dann die bekannten technischen Größen wie beispielsweise Kraft, Druck, Temperatur, Drehmoment usw. gemessen werden. Die in den Figuren 7 und 8 gezeichnete Wand 1 kann nun Bestandteil eines technischen Multifunktionsbauteils 20 mit einer mehr oder weniger komplexen Geometrie sein. Sie kann auch mit einem dritten Teil 14 verbunden sein, indem die äußere Oberfläche15 des dritten Teils 14 wiederum bereichsweise formgenau von dem Material der Wand 1 umschlossen wird. Das Teil 14 kann dabei aus einem anderen Metall, aus Kunststoff, aus Glas, aus Keramik oder aus einem anderen nicht metallischen Werkstoff bestehen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche 15 des Teils 14 entweder Hinterschneidungen aufweist, oder aber zumindest sehr rau ist, um einen guten Formschluss zwischen dem Multifunktionsbauteil 20 und dem Teil 14 zu erreichen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur stufenweisen galvanischen Urformung eines stabilen, selbsttragenden, Bauteils, das makroskopische Abmessungen besitzt, das vorwiegend aus einem homogenen metallischen Material besteht, und das in einer Baugruppe eine mechanische Funktion übernehmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheideprozess am Ende einer ersten Fertigungsstufe nach Erreichen einer bestimmten Zwischengeometrie des Multifunktionsbauteils (20,30,50) unterbrochen wird, und dass ein Bereich der Oberfläche (17) der Zwischengeometrie in mindestens einer nachgeschalteten nicht galvanischen Fertigungsstufe mit etwas so behandelt wird, dass sich die chemischen oder die physikalischen Eigenschaften des behandelten Oberflächenbereichs verändern oder dass bereichsweise eine neue Oberfläche geschaffen wird, und dass man danach in mindestens einer nachgeschalteten zweiten galvanischen Fertigungsstufe die Dicke der Zwischengeometrie weiter anwachsen lässt, wobei in mindestens einem Teilbereich des Multifunktionsbauteils (20,30,50) eine Grenzfläche entsteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Grenzfläche (41) die Oberflächen von zwei Einzelwänden (31,32) ohne jeden Zwischenspalt formgenau aufeinanderliegen, so dass im Bereich der Grenzfläche (41) das Positiv der mikroskopischen Oberflächenstruktur der Unterseite der Einzelwand (31) gleich dem Negativ der Oberseite der angrenzenden Einzelwand (32) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich, in dem die Oberfläche (17) der Zwischengeometrie in der nachgeschalteten nicht galvanischen Fertigungsstufe behandelt wird, die Dicke des Multifunktionsbauteils (20,30,50) nicht verändert wird, dass aber die chemischen oder die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche (17) der Zwischengeometrie verändert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Multifunktionsbauteil (20,30,50) einstückig ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche (17) der Zwischengeometrie etwas aufgetragen wird, was, nachdem es dann im nachfolgenden neuerlichen Abscheideprozess mit einer weiteren Galvanoschicht formgenau abgedeckt worden ist, durch eine Öffnung (37) wieder herausgeschmolzen oder herausgelöst wird, so dass im hergestellten Multifunktionsbauteil (20,30,50) ein Hohlraum (10,34) entsteht.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung in einem weiteren galvanischen Fertigungsschritt unter Bildung einer Grenzfläche verschlossen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil, wie beispielsweise ein Temperatursensor (2), bei Temperaturen von weniger als 70 CC zumindest partiell von einem metallischen Material einer Wand (1), das einen Schmelzpunkt von größer 70 0C vorzugsweise jedoch größer als 2800C besitzt, unter Bildung einer Grenzfläche (16) mit der Oberfläche (17) einer Zwischengeometrie verbunden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass stabile, selbsttragende einstückige Multifunktionsbauteile (20,30,50), die zumindest bereichsweise Wanddicken von 1 mm und größer sowie aber auch bereichsweise von 0,5 mm, und kleiner besitzen, hergestellt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Multifunktionsbauteile (20,30,50) mit einem Wanddickenverhältnis zwischen der größten Wanddicke (D) im Bereich 20 und der kleinsten
Wanddicke (d22. d23,d24) von größer 100, vorzugsweise sogar größer 1000, hergestellt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass metallische Multifunktionsbauteile (20,30,50), die einen mehrwandigen Mittelbereich (21) besitzen, der ringsum von einem einwandigen Randbereich (28) umgeben ist, hergestellt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nahtlose metallische O-Ringe (50) hergestellt werden
12. Nahtloses metallisches Multifunktionsbauteil (30) mit einer homogenen Gefügestruktur, das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Multifunktionsbauteil (30) wenigstens einen Bereich besitzt, in dem sich eine Grenzfläche (41) zwischen zwei Einzelwänden (31,32) befindet, wobei die Oberflächen der Einzelwände (31,32) ohne jeden
Zwischenspalt formgenau aufeinanderliegen, so dass im Bereich der Grenzfläche (41) das Positiv der mikroskopischen Oberflächenstruktur der Unterseite der Einzelwand (31) gleich dem Negativ der Oberseite der angrenzenden Einzelwand (32) ist.
13. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene, metallische, Material partiell mehrwandig ist.
14. Einstückiges, metallisches Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet dass im Multifunktionsbauteile (20) ein mehrwandiger Mittelbereich (21) vollständig von einem einwandigen Randbereich (28) umschlossen ist.
15. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene, einstückige, metallische Material der Wand (1), dass den
Temperatursensor (2) formgenau umschließt, resistent gegen Korrosion ist.
16. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet dass die Oberfläche des Dehnmessstreifens (5) haftend mit dem metallischen Material der Wand (1) verbunden ist.
17. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material der Wand (1) zusätzlich mit einem weiteren Teil (14) haftend oder formschlüssig verbunden ist.
18. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in das homogene, einstückige, metallische Material der Wand (1) wenigstens eine Einzelwand integriert ist, die aus einem anderen Material besteht.
19. Multifunktionsbauteil 1, das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in das homogene, einstückige, metallische Material der Wand (1) wenigstens eine Einzelwand, beispielsweise die Wand des Dehnmessstreifens (5), integriert ist, die aus einem anderen Material besteht und die über ihren gesamten Umfang fest, das heißt gas- und mediendicht mit dem homogenen, einstückigen, metallischen Material der Wand (1) verbunden ist.
20. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einzelwand (6) des homogenen, einstückigen, metallischen Materials eine Dicke von kleiner gleich 0,5 mm vorzugsweise sogar kleiner 0,0001 mm aufweist.
21. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene, einstückige, metallische Material wenigstens einen
Hohlraum (27) aufweist, der komplett nach außen abgeschlossen ist.
22. Multifunktionsbauteil (20) mit einem integrierten Temperatursensor (2), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Temperatursensors (2) mit dem Verfahren zumindest bereichsweise formgenau mit dem homogenen, einstückigen, metallischen Material der Wand (1 ) abgedeckt ist.
23. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Temperatursensor (2) ausgehende Signalleitung (3) mindestens über eine bestimmte Länge vom homogenen, einstückigen, metallischen Material der Wand (1) umschlossen ist.
24. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene, einstückige, metallische Material der Wand (1), dass den Temperatursensor (2) formgenau umschließt, einen Schmelzpunkt oberhalb 280 0C besitzt.
25. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das den Temperatursensor (2) umgebende homogene, einstückige, metallische Material der Wand (1) wenigstens einen Hohlraum (10) aufweist, der vollständig nach außen abgeschlossen ist und der teilweise oder vollständig mit einer anderen Substanz gefüllt ist.
26. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kondensator-Elektrode (13) in einem Hohlraum (10) des homogenen, einstückigen, metallischen Materials befindet.
27. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kondensator-Elektrode (13) umgebende homogene, einstückige, metallische Material der Wand (1) wenigstens einen Hohlraum (10) aufweist, und dass wenigstens eine den
Hohlraum (10) begrenzende Einzelwand (7) eine bewegliche Membran ist.
28. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene, einstückige, metallische Material der Wand (1) die
Geometrie eines fertigen funktionstüchtigen Sensorgehäuses besitzt.
29. Multifunktionsbauteil (20), das unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Multifunktionsbauteil (20) um ein einstückiges Rohr mit zwei einwandigen Endbereichen handelt, und dass zwischen den zwei einwandigen Rohrendbereichen zumindest eine Einzelwand existiert, die bei einer Änderung des im Rohr herrschenden Drucks membranartig beweglich ist.
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