WO2016046417A1

WO2016046417A1 - Verfahren zur herstellung eines kompositmaterials für ein sensorelement

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Publication number: WO2016046417A1
Application number: PCT/EP2015/072254
Authority: WO
Inventors: Sergej Lopatin; Dietmar Spanke; Peter KLÖFER
Original assignee: Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2015-09-28
Publication date: 2016-03-31
Also published as: DE112015004369A5; US20170298490A1; US11192276B2

Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositmaterials (101), insbesondere einer aktiven Komponente eines Sensorelements (201, 301), wobei zumindest zwei Materialien (102, 103, 202, 203) mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften in Abhängigkeit von einer Funktionalität des Sensorelements sowie eine äußere Form, in welche die zumindest zwei Materialien gebracht werden sollen, vorgegeben werden. Dabei wird die äußere Form in eine Vielzahl von virtuellen Raumbereichen (306) unterteilt, wobei in jedem virtuellen Raumbereich die Materialverteilung der zumindest zwei Materialien homogen und periodisch nach vorgegebenen Regeln entsprechend einer Mikrostruktur über ein rechnergestütztes Verfahren (FEM) ermittelt wird. Digitale Daten, die die ermittelte Verteilung der zumindest zwei Materialien beschreiben, werden dann an einen 3D Drucker übergeben und das Sensorelement oder die aktive Komponente desselben wird auf der Basis dieser Daten von dem 3D Drucker erstellt.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES KOMPOSITMATERIALS FÜR EIN SENSORELEMENT

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements oder einer aktiven Komponente eines Sensorelements. Bevorzugt wird das Sensorelement in einem Feldgerät der Automatisierungstechnik eingesetzt.

Feldgeräte der Automatisierungstechnik erfassen oder überwachen Prozessgrößen von Medien, die sich z.B. in Tanks, Rohrleitungen oder Gerinnen befinden. Zur Erfassung einer Prozessgröße besitzt das Feldgerät ein geeignetes Sensorelement. Dem

Sensorelement ist eine Regel-/Auswerteeinheit zugeordnet. In Abhängigkeit von der Prozessgröße liefert das Sensorelement ein elektrisches Ausgangssignal, das der Regel- /Auswerteeinheit zugeleitet wird. Sensoren erfassen beispielsweise den Füllstand, die Dichte, die Viskosität, die Feuchte, die Konzentration, die Zusammensetzung, den Durchfluss, den Druck, die Temperatur, Analysedaten, wie den pH-Wert, die Trübung oder die Leitfähigkeit eines Mediums. Entsprechende Feldgeräte werden von der E+H Gruppe in unterschiedlichsten Ausgestaltungen angeboten und vertrieben. Darüber hinaus können Sensorelemente auch in Aktoren integriert sein, wie z.B. in Ventilen oder Pumpen. Generell können Sensorelemente Bestandteile unterschiedlicher Feldgeräte sein, wobei Feldgeräte in einem weiten Sinn alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines

Sensorelements oder einer aktiven Komponente eines Sensorelements vorzuschlagen, das bezüglich seiner physikalischen Eigenschaften optimiert ist.

Die Erfindung wird durch das im Folgenden näher beschriebene Verfahren gelöst, nämlich ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements oder einer aktiven

Komponente eines Sensorelements, wobei das Sensorelement in einem Feldgerät der Automatisierungstechnik eingesetzt wird, wobei zumindest zwei Materialien mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften in Abhängigkeit von einer Funktionalität des Sensorelements oder der aktiven Komponente des

Sensorelements vorgegeben werden, wobei eine äußere Form, in die die zumindest zwei Materialien gebracht werden sollen, vorgegeben wird, wobei die äußere Form in eine Vielzahl von virtuellen Raumbereichen unterteilt wird, wobei in jedem virtuellen

Raumbereich die Materialverteilung der zumindest zwei Materialien, homogen und periodisch nach vorgegebenen Regeln erfolgt, wobei die vorgegebenen Regeln in Abhängigkeit von der vorgegebenen Funktionalität des Sensorelements oder der aktiven Komponente des Sensorelements über ein rechnergestütztes Verfahren ermittelt werden, wobei digitale Daten, die die ermittelte Materialverteilung beschreiben, an zumindest einen 3D Drucker übergeben werden, und wobei ein Druckprodukt auf der Basis der digitalen Daten von dem 3D Drucker erstellt wird. Prinzipiell lässt sich über das erfindungsgemäße Verfahren ein beliebiges

Kompositmaterial mit genau definierten Eigenschaften drucken. Nachfolgend kann das gedruckte Kompositmaterial in die entsprechende Form für das Sensorelement oder die aktive Komponenten des Sensorelements durch z.B. einen mechanischen

Bearbeitungsprozess gebracht werden.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren genutzt, um ein Kompositmaterial herzustellen. Insbesondere handelt es sich bei dem Kompositmaterial um ein

piezoelektrisches Material, das bevorzugt in Scheibenform angefertigt wird und als Erreger-/Empfangseinheit für ein Schwingungssystem eines vibronischen Sensors oder eines Ultraschallwandlers verwendet wird. Hierbei werden die Dimensionen der äußeren Form des gedruckten Sensorelements bzw. der Komponente des Sensorelements deutlich größer gewählt als die Dimensionen eines virtuellen Raumbereichs. Die

Dimensionen eines jeden virtuellen Raumbereichs sind so gewählt, dass das

physikalische Verhalten bzw. die physikalischen Eigenschaften des Sensorelements bzw. der aktiven Komponente des Sensorelements in diesem Raumbereich vorhanden sind.

Oder in anderen Worten: In jedem virtuellen Raumbereich ist das physikalische Verhalten bzw. sind die physikalischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten des

Kompositmaterials ersetzt durch das gewünschte physikalische Verhalten bzw. die gewünschten physikalischen Eigenschaften des Kompositmaterials. Die Ermittlung der homogenen und periodischen Mikrostruktur der zumindest zwei Materialien in dem virtuellen Raumbereich erfolgt bevorzugt über die FEM (Finite Elemente Modell) Methode. Der ermittelte virtuelle Raumbereich wird wiederholt gedruckt, bis die gewünschte äußere Form des Kompositmaterials, des Sensorelements oder der aktiven Komponente des Sensorelements vorliegt.

Die Klasse der Heterogenwerkstoffe umfasst Verbundwerkstoffe und

Kompositwerkstoffe. Diese bestehen aus zumindest zwei Phasen bzw. zumindest zwei Materialien, wobei sich die Phasen- bzw. die Materialeigenschaften der zumindest zwei Materialien üblicherweise stark voneinander unterscheiden. Beispiele für

Verbundwerkstoffe sind ein Kunststoff mit Glasfasern oder ein leitfähiger Klebstoff aus Epoxidharz mit Silberpartikeln. Diese einfachen nicht texturierten Verbundwerkstoffe lassen sich durch Mischen der Materialien gewinnen. Neben diesen Verbundwerkstoffen sind seit Anfang der 80er Jahre sogenannte aktive Kompositmaterialien bekannt, die nicht als Konstruktionsmaterialien, sondern als

Sensormaterialien mit einzigartigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften verwendbar sind. Beispielsweise erlaubt es die Komposittechnologie,

Kompositmaterialien mit mechanischen und elektrischen Eigenschaften herzustellen, die mit den üblichen Materialien nicht realisierbar sind. So ist es insbesondere möglich, dass die elastischen Eigenschaften in einem piezokeramischen Kompositmaterial so verstärkt werden, dass diese eine extrem hohe hydroakustische Empfindlichkeit aufweisen, die von traditionellen piezoelektrischen Materialien nicht erreicht wird. Ein wichtiges Kriterium für einen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Kompositmaterial ist, dass mindestens eine Dimension der Mikrostruktur bzw. die virtuellen Raumbereiche, die von den zumindest zwei Materialien gebildet werden, deutlich kleiner (um mindestens einen Faktor 5 -10 kleiner) ist, als die Dimensionen der äußeren Form des gefertigten

Sensorelements bzw. der gefertigten Komponente des Sensorelements.

Die Eigenschaften eines Kompositmaterials hängen nicht nur von den Eigenschaften der einzelnen Komponenten ab, sondern auch von der Art und Weise (Connectivity pattern bzw. Verbindungsmuster) der Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten. Dieses Verbindungsmuster wird über die erfindungsgemäß vorgegebenen Regeln beschrieben. Beispiele für derartige Verbindungsmuster oder Mikrostrukturen sind Bälle, Stäbchen, Fasern, usw. Im Prinzip lassen sich beliebig komplizierte Mikrostrukturen schaffen. In diesem Zusammenhang wird auf den Fachartikel„Composite Electroceramics" aus dem Jahre 1986 von R.E. Newham, erschienen in Ferroelectrics, 1986, Band 68. Seiten 1-32 verwiesen. In Fig. 27 dieses Artikels sind Beispiele für sog. Connectivity Patterns gezeigt, die die Geometrie der zwei Phasen in Komposit-Elektrokeramiken beschreiben.

Entsprechende Elektrokeramiken fallen in die Klasse der aktiven Kompositmaterialien.

Die Eigenschaften eines aktiven Kompositmaterials hängen also nicht nur von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Einzelkomponenten ab, sondern eben auch von dem definierten Verbindungsmuster, das sich durch klar definierte Regeln beschreiben lässt. Kompositmaterialien mit einem auf die Funktionalität des

Sensorelements oder der Komponente des Sensorelements abgestimmten

Verbindungsmuster lassen sich reproduzierbar über das erfindungsgemäße Verfahren herstellen. Mit herkömmlichen Verfahren ist dies nur sehr schwer oder überhaupt nicht möglich - insbesondere wenn die Fertigung für die Verwendung in der Industrie erfolgen soll.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Abmessungen eines über den 3D Druck hergestellten virtuellen Raumbereichs so dimensioniert, dass sie um zumindest einen Faktor 5-10 oder auch um mindestens eine zwei Größenordnungen kleiner sind als die Abmessungen des Druckprodukts. Handelt es sich bei dem Sensorelement bzw. bei der Komponente des Sensorelements um ein piezoelektrisches Material, so ist mindestens ein Faktor 5, je nach Anwendung ein Faktor 10 oder auch Größenordnungen 1 , 2, 3, .... zu veranschlagen. Wichtig in Zusammenhang mit der Erfindung ist, dass die Dimensionierung bzw. die Abmessungen von einem über den 3D Druck hergestellten virtuellen Raumbereich mindestens so groß gewählt werden, dass die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Kompositmaterials in dem virtuellen Raumbereich den physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Sensorelements oder der aktiven Komponente des Sensorelements entsprechen. Die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der zumindest zwei Einzelmaterialien sind durch die Eigenschaften des Kompositmaterials ersetzt. Dieser virtuelle

Raumbereich wird von dem 3 D Drucker vervielfältigt, bis die äußeren Abmessungen des Sensorelements bzw. der aktiven Komponente des Sensorelements bzw. des

Kompositmaterials erreicht sind. Erfindungsgemäß genügt es somit zwecks Schaffung eines gewünschten Kompositmaterials die Abmessungen und die Mikrostruktur in einem virtuellen Raumbereich festzulegen und diese anschließend zu vervielfältigen, bis die gewünschten äußeren Abmessungen des Druckprodukts erreicht sind.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden über die äußere Form die Abmessungen bzw. Dimensionen des Sensorelements oder der aktiven Komponente des Sensorelements beschrieben. Alternativ wird vorgeschlagen, über die äußere Form die Abmessungen bzw. die Dimensionen eines Materialblocks des Kompositmaterials zu beschreiben. Anschließend werden mehrere Sensorelemente oder aktive Komponenten des Sensorelements aus dem Materialblock herausgearbeitet.

Als Druckverfahren für den 3D Druck sind insbesondere zu erwähnen:

ein selektives Laserschmelzen bzw. ein selektives Lasersintern, das immer dann zum Einsatz kommen kann, wenn es sich bei zumindest zwei Materialien um ein

Metall und/oder um einen Kunststoff handelt;

ein Fused Deposition Modeling oder ein Multi Jet Modeling, das immer dann eingesetzt werden kann, wenn es sich bei den beiden Materialien um Kunststoffe handelt.

- ein Color Jet Printing (CJP), das immer dann eingesetzt werden kann, wenn es sich bei zumindest einem der Materialien um eine Keramik handelt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Partikel der zumindest zwei Materialien jeweils in ein flüssiges Medium integriert. Die flüssigen Medien mit den Partikeln der Materialien werden entsprechend der

vorgegebenen Materialverteilung gedruckt. Hierbei wird das gedruckte Kompositmaterial bzw. das gedruckte Sensorelement bzw. die aktive Komponente des Sensorelements einem Sinterprozess unterzogen. Der Sinterprozess schließt sich bevorzugt als separater Schritt an das Druckverfahren an, kann jedoch auch ebenso parallel zu dem

Druckprozess erfolgen.

Je nach Anwendungsfall kann es sehr vorteilhaft sein, wenn es sich bei einem der Materialien um ein Material handelt, das bei einem Erwarmungsprozess in die gasförmige Phase übergeht, so dass in dem Sensorelement oder in der aktiven Komponente des Sensorelements ein definierter Anteil von Hohlräumen mit definierter Geometrie und Größe verbleibt. Somit wird es möglich, poröse Materialien mit präzisen

Hohlraumstrukturen innerhalb des Sensorelements bzw. der Komponente des

Sensorelements herzustellen.

Als besonders günstig wird es im Zusammenhang mit der Erfindung erachtet, wenn die Materialverteilung in dem Sensorelement oder in der aktiven Komponente des

Sensorelements so berechnet wird, dass die zumindest zwei Materialien in dem

Sensorelement oder in der aktiven Komponente des Sensorelements in definierten komplexen Mikrostrukturen (entspricht den Verbindungsmustern) angeordnet sind.

Bevorzugt sind die komplexen Mikrostrukturen darüber hinaus auf die

Umgebungsbedingungen am Einsatzort des Feldgeräts abgestimmt.

Wie bereits zuvor erwähnt wird über das erfindungsgemäße Verfahren entweder ein Materialblock aus einem Kompositmaterial hergestellt, oder das Erzeugnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bereits das Sensorelement oder aktive Komponente des Sensorelements.

Nachfolgend werden einige Beispiele genannt:

Eine keramische Masse, die in ein Bindemittel (Klebemittel) eingebettet ist, wird in einem 3D Druckverfahren auf der Basis von digitalen Daten entsprechend einer vorgegebenen äußeren Form gedruckt. Zusätzlich wird auf Mikrobasis ein definiertes

Verbindungsmuster zum Drucken verwendet. Nach dem Druckprozess oder parallel zu dem Druckprozess wird das gedruckte Produkt gesintert. Nach dem Sintern entsteht ein Komposit-Skelett, das anschließend mit einem passenden Polymer imprägnieret werden kann. Allerdings ist der zuvor geschilderte Aufbau nicht unbedingt erforderlich. Es kann sich auch um z.B. eine poröse Keramik aus PZT handeln, wo Poren aus Luft oder einem anderen gasförmigen Stoff als zweite Phase in eine Keramik eingeschlossen sind. Im Sinne der Erfindung ist Luft ebenfalls eine Phase.

Gemäß einem weiteren Beispiel werden zwei oder mehrere keramischen Materialien als Druckmaterialien verwendet. Beide Materialien werden in einem 3D Druckprozess gedruckt. Insbesondere werden zur Herstellung des Druckprodukts zwei oder mehrere aktive Materialien verarbeitet. Auf diese Weise lassen sich z.B. magnetostriktive und piezoelektrische Kompositmaterialien herstellen. Ein Sensorelement aus dem

entsprechenden Kompositmaterial ist z.B. in einem Magnetfeldsensor einsetzbar. Bei Vorhandensein eines Magnetfeldes tritt zwischen zwei Elektroden, die an

gegenüberliegenden Außenflächen des Sensorelements angeordnet sind, eine Spannung auf, die eine Aussage über die Stärke des Magnetfeldes erlaubt.

Weiterhin ist es möglich, eine Keramikschicht zu drucken und darauf eine Schicht mit einer Metalllegierung anzubringen. Keramik und Metalllegierung haben sehr

unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten. Durch eine geeignete Veränderung der Konzentrationen der beiden Materialien in einem Übergangsbereich lässt sich der Übergangsbereich als eine optimierte Anpassschicht ausgestalten. Treten am Einsatzort der Komponente nachfolgend Temperaturschwankungen auf, so bleiben die beiden Schichten infolge der optimierten Anpassschicht fest miteinander verbunden.

Weiterhin kann es sich bei dem über das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Produkt um eine als Dämpfungs- oder Kopplungsschicht wirkende λ/4 Schicht handeln, die auf das Gehäuse (Metall oder Kunststoff) eines Ultraschallsensors gedruckt ist. Aus dem Stand der Technik sind entsprechende Ausgestaltungen bekannt, wobei der Verbindungsbereich zwischen den beiden Komponenten ein kritischer Bereich ist.

Erfindungsgemäß werden das Gehäuse und Kopplungsschicht in einem 3D

Druckverfahren bzw. in einem generativen Druckverfahren hergestellt. Wiederum wird die optimale 3D Struktur der akustischen Sensorelemente simuliert und optimiert. Über das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich die Druckprodukte mit der entsprechenden Funktonalität hoch reproduzierbar herstellen.

Als Dämpfungsschicht werden Kompositen wie z.B. Wolframpulver mit Epoxidharz verwendet. Diese Materialien lassen sich mit generativen Druckverfahren bzw. SD- Druckverfahren bequem fertigen. Die Dämpfungsmaterialien sollen Ultraschallsignale gut absorbieren; die Kontaktstellen zwischen kleinen Partikeln aus zwei Phasen mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften sind dafür gut geeignet. Weiterhin kann die λ /4-Schicht auch aus einem Komposit gefertigt sein, bei dem eine der Phase ein Gas, insbesondere Luft ist. In Abhängigkeit von der Porosität lassen sich die Schallgeschwindigkeit v und die Dichte p eines Materials wie Kunststoff oder Metall beliebig variieren. Daher lässt sich die akustische Impedanz (Z = v^*p) der λ/4-Schicht bestens an das Medium anpassen.

Beispielsweise besteht die Aufgabe darin, einen Ultraschallsensor aus einem

piezoelektrischen Komposit akustisch an Wasser anzukoppeln. Ein Piezokomposit hat eine akustische Impedanz von ca. 18^*10⁶ kg/(m^2*s), und Wasser hat eine Dichte von ca. 1000 kg/m³, die Schallgeschwindigkeit in Wasser liegt bei ca. 1500 m/c. Somit ergibt sich die akustische Impedanz der λ/4-Schicht des Ultraschallwandlers zu

Ζ(λ /4-Schicht) = [Z(Wasser)^*Z(Piezo)]^1/2 = 5,2^* 10⁶ kg/(m^2*s). Um eine optimale Anpassung zu erzielen, sollte als λ /4-Schicht ein Kompositmaterial mit Z=5,2^*10⁶ kg/(m^2*s) verwendet werden.

In der am 26.09.2014 eingereichten Deutschen Patentanmeldung DE 10 2014 1 14 016.8 wird beschrieben, wie sich die optimale Gestaltung unterschiedlichster für die

Automatisierungstechnik geeigneter Komponenten ermitteln und herstellen lässt.

Insbesondere bestehen die Komponenten aus einem porösen Material. Die

entsprechenden Passagen der o.g. parallel eingereichten Deutschen Patentanmeldung sind explizit dem Offenbarungsgehalt dieser erfindungsgemäßen Lösung hinzuzurechnen.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : ein Flussdiagramm, das eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht,

Fig. 2: schematische Darstellungen eines Kompositmaterials,

a) bei dem alle drei Dimensionen kleiner sind als das gefertigte Druckprodukt b) bei dem zwei Dimensionen kleiner sind als das fertige Druckprodukt

c) bei dem eine Dimension kleiner ist als das fertige Druckprodukt.

Fig. 3a: ein erfindungsgemäßes Kompositmaterial aus einem piezoelektrischen Material und einem magnetostriktiven Material, Fig. 3b: ein erfindungsgemäßes Sensorelement, das bevorzugt aus dem in Fig. 3a gezeigten Kompositmaterial besteht,

Fig. 4a: ein erfindungsgemäßes Sensorelement, das aus einem porösen

piezoelektrischen keramischen Kompositmaterial mit einer ersten definierten

Materialverteilung besteht und

Fig. 4b: ein erfindungsgemäßes Sensorelement, das aus einem porösen

piezoelektrischen keramischen Kompositmaterial mit einer zweiten definierten

Materialverteilung besteht.

Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm, das eine bevorzugte Ausgestaltung des

erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht. Nach dem Start bei Punkt 10 werden unter Punkt 20 zumindest zwei Materialien ausgewählt, die für die Herstellung des

Sensormaterials oder der aktiven Komponente des Sensorelements geeignet sind. Unter Punkt 30 wir die äußere Form, also die äußeren Abmessungen des Sensorelements bzw. der aktiven Komponente des Sensorelements vorgegeben. Unter Punkt 40 wird eine virtuelle Unterteilung der äußeren Form des Sensorelements bzw. der aktiven

Komponente des Sensorelements in virtuelle Raumbereiche vorgenommen. Unter Punkt 50 werden vorgegebene Regeln in Abhängigkeit von der Funktionalität des

Sensorelements bzw. der aktiven Komponente des Sensorelements mittels eines Finite Elemente Modells FEM erstellt. Anschließend wird jeder virtuelle Raumbereich homogen und periodisch nach den über das Finite Elemente Modell FEM ermittelten vorgegebenen Regeln gestaltet.

Die entsprechenden digitalen Daten werden an einen 3D Drucker übermittelt und entsprechend gedruckt (Punkt 70). Bei Punkt 80 wird das Sensorelement bzw. der aktive Komponente des Sensorelements gesintert. Es versteht sich von selbst, dass Punkt 70 und Punkt 80 ggf. auch gleichzeitig bzw. stets unmittelbar aufeinander folgend ausgeführt werden können, und zwar solange, bis das Sensorelement bzw. die aktive Komponente des Sensorelements vollständig entsprechend den vorgegebenen Abmessungen erstellt ist.

Fig. 2 zeigt schematische Darstellungen eines Kompositmaterials,

a) bei dem alle drei Dimensionen der Mikrostruktur - hier um einen Faktor 5 - kleiner sind als das aus dem Kompositmaterial gefertigte Druckprodukt; b) bei dem zwei Dimensionen der Mikrostruktur deutlich kleiner sind als das fertige Druckprodukt. Die verbleibende Dimension ist vergleichbar mit den Abmessungen des Druckprodukts.

c) bei dem eine Dimension der Mikrostruktur kleiner ist als das fertige Druckprodukt.

Die beiden anderen Dimensionen sind vergleichbar mit den Abmessungen des

Druckprodukts.

Druckprodukt ist hierbei der Sammelbegriff von Kompositmaterial mit definierten äußeren Abmessungen, Sensorelement und aktiver Komponente des Sensorelements. In Fig. 3a ist ein erfindungsgemäßes Kompositmaterial (Verbundstoff) 101 dargestellt. Das Kompositmaterial 101 besteht aus einem piezoelektrischen keramischen Material 102 und einem magnetostriktiven keramischen Material 103, die schichtweise miteinander verbunden sind. Ein virtueller Raumbereich ist mit der Kennzeichnung 104 versehen. Beispielsweise handelt es sich bei dem piezoelektrischen keramischen Material 102 um PZT5 (Blei-Zikonat-Titanat) und bei dem magnetostriktiven keramischen Material 103 um Kobalt-Nickelferrit. Beide Materialien 102, 103 gehören zu den dielektrischen Materialien.

Nach dem 3D Druck entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das

Kompositmaterial 101 bei Temperaturen von 1 150-1300°C gesintert. Nachfolgend kann das Kompositmaterial zu Sensorelementen 201 oder zu aktiven Komponenten von Sensorelementen 201 weiterverarbeitet werden. Die Weiterverarbeitung erfolgt beispielsweise über mechanische Verfahren oder über Laserverfahren.

Fig. 3b zeigt ein Sensorelement 201 , das aus dem in Fig. 3a dargestellten und beschriebenen Kompositmaterial 102, 103 gefertigt ist, das aber auch aus einem anderweitigen Kompositmaterial mit anderweitigen Materialien 202, 203 gefertigt sein kann. Das Sensorelement 201 weist zwei gegenüberliegende metallische Elektroden 204 auf. Bei den Elektroden 204 handelt es sich z.B. um jeweils eine eingebrannte

Silberschicht mit einer Stärke von 2-10μιη, oder um gesputtertes Gold, Silber, Kupfer, Nickel oder ein anderes leitfähiges Metall oder eine andere leitfähige Legierung. Nach dem Polarisieren des piezoelektrischen keramischen Materials 102, 202, z.B. PZT5 durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannungsfeldes von ca. 1 MV/m an die Elektroden 204, erhält das piezoelektrische keramische Schichtmaterial 102, 202 die permanenten piezoelektrischen Eigenschaften. Die Schichten der beiden Materialien 102, 103 bzw. 202, 203 sind infolge des Herstellungsprozesses kraftschlüssig miteinander verbunden.

Ein zuvor beschriebenes Sensorelement 201 bzw. Kompositmaterial 101 kann z.B. in einem Sensor zur Bestimmung der Stärke eines Magnetfeldes verwendet werden. Wird das Sensorelement 201 in ein Magnetfeld eingebracht, so üben die Schichten aus magnetostriktivem keramischem Material 103, 203 eine mechanische Spannung auf die Schichten aus piezoelektrischem, keramischem Material 102, 202 aus. Infolge der mechanischen Verspannung tritt eine elektrische Ladung an den Elektroden 204 auf, die als Messsignal für die Auswertung des Magnetfeldes dient.

Fig. 4a zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement 301 , das aus einem

piezoelektrischen keramischen Material 302 mit definierten Lufteinschlüssen 303 besteht. Beispielsweise handelt es sich bei dem piezoelektrischen Material 302 um ein Material auf PZT Basis. Die piezoelektrischen Eigenschaften von porösen Piezoelementen hängen sehr stark von der Porengeometrie und der Porenverteilung in der Keramikmatrix ab. In den Figuren Fig. 4a und Fig. 4b sind zwei verschiedene Porenverteilungen und

Porengeometrien in einem piezoelektrischen Element (aktives Element eines

Sensorelements) aus PZT 302 zu sehen. Fig. 4a zeigt ein piezoelektrisches Element 301 mit stabförmigen Poren 303 in dem PZT-Material 302, während die piezoelektrische Keramik 302, die in Fig. 4a gezeigt ist, stabförmige Poren 303 und kugelförmige Poren 305 aufweist, die jeweils und zueinander in einem definierten Muster angeordnet sind. Das poröse piezoelektrische Material wird nach dem Sintern bei 1 150-1300°C

mechanisch in die gewünschte Form gebracht mit metallischen Elektroden 304 beschichtet. Anschließend wird das Sensorelement 301 mit Elektroden in einem

Gleichspannungsfeld von ca. 1 MV/M polarisiert.

Entsprechend gefertigte poröse piezoelektrische Sensorelemente 301 bzw. aktive Komponenten 301 von Sensorelementen besitzen eine hohe hydrostatische

Empfindlichkeit und können als Mikrophon- oder Hydrophonsensoren verwendet werden. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren können die Porengeometrie und die Porenverteilung exakt nach mathematischen Simulationen (z.B. mittels FEM) ausgelegt werden. Dies ermöglicht die reproduzierbare Fertigung von piezoelektrischen Sensoren 301 mit genau definierten Eigenschaften. Dabei können Sensorelemente 301 oder aktive Komponenten 301 von Sensorelementen mit hoch periodischen oder aber auch mit aperiodischen Porenverteilungen angefertigt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, in dem piezoelektrischen Element 301 jede beliebige Porenverteilung zu realisieren, sofern das piezoelektrische Element 301 die gewünschten physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften aufweist.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Kompositmaterials (101 ), eines Sensorelements (201 ) oder einer aktiven Komponente eines Sensorelements (201 ), wobei das Sensorelement (201 ) in einem Feldgerät der Automatisierungstechnik eingesetzt wird,

wobei zumindest zwei Materialien (102, 103) mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften in Abhängigkeit von einer Funktionalität des Sensorelements (101 ) oder der aktiven Komponente des Sensorelements (101 ) vorgegeben werden, wobei eine äußere Form, in die die zumindest zwei Materialien (102, 103) gebracht werden sollen, vorgegeben wird,

wobei die äußere Form in eine Vielzahl von virtuellen Raumbereichen (306) unterteilt wird,

wobei in jedem virtuellen Raumbereich (306) die Materialverteilung der zumindest zwei Materialien (202, 203), homogen und periodisch nach vorgegebenen Regeln

entsprechend einer Mikrostruktur erfolgt, wobei die vorgegebenen Regeln in Abhängigkeit von der vorgegebenen Funktionalität des Sensorelements (201 ) oder der aktiven

Komponente des Sensorelements (201 ) über ein rechnergestütztes Verfahren ermittelt werden,

wobei digitale Daten, die die ermittelte Verteilung der zumindest zwei Materialien beschreiben, an zumindest einen 3D Drucker übergeben werden, und

wobei als Druckprodukt das Sensorelement (201 ) oder die aktive Komponente des Sensorelements (201 ) auf der Basis der digitalen Daten von dem 3D Drucker erstellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 ,

wobei die Abmessungen von einem über den 3D Druck hergestellten virtuellen

Raumbereich (306) so gewählt werden, dass die physikalischen und chemischen

Eigenschaften jedes virtuellen Raumbereichs (306) den physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Sensorelements (201 ) oder der aktiven Komponente des Sensorelements (201 ) entsprechen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

wobei die Abmessungen jedes über den 3 D Druck hergestellten virtuellen Raumbereichs (306) des Kompositmaterials (101 ) um zumindest einen Faktor größer/gleich 5, bevorzugt um einen Faktor größer/gleich 10, kleiner sind als die Abmessungen des gedruckten Sensorelements (201 ) bzw. der aktiven Komponenten des Sensorelements (201 ).

4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3,

wobei über die äußere Form die Abmessungen des Sensorelements (201 ) oder der aktiven Komponente des Sensorelements (201 ) beschrieben werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3,

wobei über die äußere Form die Abmessungen eines Materialblocks (101 ) beschrieben werden, und

wobei mehrere Sensorelemente (201 ) oder aktive Komponenten des Sensorelements (201 ) aus dem Materialblock (101 ) herausgearbeitet werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5,

wobei für den Fall, dass es sich bei zumindest einem der beiden Materialien (202, 203) um ein Metall oder einen Kunststoff handelt, als 3D Druckverfahren ein selektives Laserschmelzen bzw. ein selektives Lasersintern verwendet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5,

wobei es sich für den Fall, dass es sich bei zumindest einem der beiden Materialien (202, 203) um einen Kunststoff handelt, als 3D Druckverfahren ein Fused Deposition Modeling oder ein Multi Jet Modeling verwendet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5,

wobei für den Fall, dass es sich bei zumindest einem der zumindest zwei Materialien (202, 203) um eine Keramik handelt, als 3D Druckverfahren ein Color Jet Printing (CJP) verwendet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

wobei Partikel der zumindest zwei Materialien (202, 203) jeweils in ein flüssiges Medium integriert werden,

wobei die flüssigen Medien mit den Partikeln der Materialien (202, 203) entsprechend der vorgegebenen Materialverteilung gedruckt werden,

und wobei der gedruckte Materialblock (101 ) bzw. das Sensorelement (201 ) oder die aktive Komponente des Sensorelements (201 ) einem Sinterprozess unterzogen wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

wobei als eines der zumindest zwei Materialien ein Material verwendet wird, das bei einem Erwärmungsprozess in die gasförmige Phase übergeht, so dass in dem

Sensorelement (301 ) oder in der aktiven Komponente des Sensorelements (301 ) ein definierter Anteil von Hohlräumen (303, 305) mit definierter Geometrie und Größe hinterlassen wird.

1 1. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Materialverteilung in dem Sensorelement (301 ) oder in der aktiven Komponente des Sensorelements (301 ) so berechnet wird, dass die zumindest zwei Materialien (302, 303; 305) in dem Sensorelement (301 ) oder in der aktiven Komponente des

Sensorelements (301 ) in definierten Mikrostrukturen angeordnet sind.

12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,

wobei die Mikrostrukturen auf die Umgebungsbedingungen am Einsatzort des Feldgeräts abgestimmt sind.

13. Kompositmaterial, das nach zumindest einem der Verfahrensansprüche hergestellt ist.

14. Sensorelement oder aktive Komponente eines Sensorelements, das/die nach zumindest einem der Verfahrensansprüche hergestellt ist.