WO2018108710A1 - Verfahren zum herstellen eines drucksensormesselements sowie damit erhältliches drucksensormesselement - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines drucksensormesselements sowie damit erhältliches drucksensormesselement Download PDF

Info

Publication number
WO2018108710A1
WO2018108710A1 PCT/EP2017/081912 EP2017081912W WO2018108710A1 WO 2018108710 A1 WO2018108710 A1 WO 2018108710A1 EP 2017081912 W EP2017081912 W EP 2017081912W WO 2018108710 A1 WO2018108710 A1 WO 2018108710A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
membrane
pressure sensor
sleeve
pressure
measuring element
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/081912
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Staiger
Daniel Stark
Achim Pahlke
Dieter Zeisel
Original Assignee
Trafag Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trafag Ag filed Critical Trafag Ag
Priority to CN201780085303.XA priority Critical patent/CN110476046B/zh
Priority to EP17825405.8A priority patent/EP3555584A1/de
Priority to US16/469,914 priority patent/US11137320B2/en
Publication of WO2018108710A1 publication Critical patent/WO2018108710A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0092—Pressure sensor associated with other sensors, e.g. for measuring acceleration or temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/60—Treatment of workpieces or articles after build-up
    • B22F10/68—Cleaning or washing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/08—Safety, indicating, or supervising devices
    • F02B77/085—Safety, indicating, or supervising devices with sensors measuring combustion processes, e.g. knocking, pressure, ionization, combustion flame
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0627—Protection against aggressive medium in general
    • G01L19/0645—Protection against aggressive medium in general using isolation membranes, specially adapted for protection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0681—Protection against excessive heat
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G01L9/0044—Constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0055—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements bonded on a diaphragm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/08—Testing internal-combustion engines by monitoring pressure in cylinders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/46—Radiation means with translatory movement
    • B22F12/47—Radiation means with translatory movement parallel to the deposition plane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2301/00—Metallic composition of the powder or its coating
    • B22F2301/35—Iron
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a
  • Pressure sensor as known in particular from WO 2010/149501 A1. Moreover, the invention relates to a pressure sensor measuring element obtainable by such a method and to a pressure sensor measuring element provided therewith
  • WO 2010/149501 A1 describes a pressure sensor measuring element and a pressure sensor provided therewith for pressure detection in a combustion chamber of an internal combustion engine during its operation. For this has the
  • Pressure sensor measuring a separation membrane, a plunger for transmitting deflections of the separation membrane on a force measuring element and the plunger receiving sleeve, wherein the separation membrane and the plunger is integrally formed as a membrane-plunger unit.
  • a pressure measurement in the combustion chamber of the internal combustion engine takes place while shielding the force measuring sensor from the conditions prevailing in the combustion chamber.
  • the sleeve and the separation membrane ram unit are each made separately by turning or by other machining processes of a monolithic stainless steel, then interlocked and connected by means of welded joints.
  • edge regions of a first membrane facing the combustion chamber and a second membrane arranged facing away from the combustion chamber are connected by welding to corresponding edges of the sleeve.
  • the invention provides a method according to claim 1.
  • a pressure sensor measuring element which can be produced thereby and a pressure sensor provided therewith are specified in the dependent claims.
  • the invention provides a method for producing a pressure sensor element for a pressure sensor, which has at least one membrane and a sleeve supporting the membrane, wherein the
  • a metal powder layer method is that in which metal powder is layered and selectively deformed with a laser or electron beam
  • Solidification is carried out such that the pressure sensor measuring element of a
  • the generative manufacturing method at least one channel or a decoupling structure for decoupling the membrane or the sleeve of internal structures of the pressure sensor and / or passing through the pressure sensor measuring channel for at least one connection or signal line and / or by the pressure sensor measuring element leading signal or connection line and / or at least one
  • Stiffening structure for influencing a bending characteristic and / or a resonance frequency and / or at least part of an electronic
  • Component such as in particular an electrical resistance and / or at least one transverse structure and / or at least one heat shield is made.
  • the at least one sensor element is selected from a temperature sensor element for measuring a temperature, a
  • Temperature difference measuring element for detecting a temperature difference between the membrane and a region of the sleeve facing away from the membrane, a membrane structure monitoring element for monitoring the
  • Membrane structure and a resistance element for detecting an electrical resistance of at least a portion of the membrane.
  • the method is characterized
  • At least one powder outlet opening for removing powder material from a cavity of the fabricated by the additive manufacturing process structure is introduced and the powder is removed through the at least one powder outlet opening and the at least one powder outlet opening is closed.
  • the powder material is retained in a cavity of the structure fabricated by the additive manufacturing process.
  • the invention provides a
  • Pressure sensor measuring element comprising:
  • the pressure sensor measuring element is produced in particular by a method according to one of the previously explained embodiments or can be produced therewith.
  • the at least one sensor element is selected from a temperature sensor element for measuring a temperature, a
  • Temperature difference measuring element for detecting a temperature difference between the membrane and a region of the sleeve facing away from the membrane, a membrane structure monitoring element for monitoring the
  • Membrane structure and a resistance element for detecting an electrical resistance of at least a portion of the membrane.
  • the at least one sensor element is selected from a temperature sensor element for measuring a temperature, a
  • Temperature difference measuring element for detecting a temperature difference between the membrane and a region of the sleeve facing away from the membrane, a membrane structure monitoring element for monitoring the
  • Membrane structure and a resistance element for detecting an electrical resistance of at least a portion of the membrane.
  • the pressure sensor measuring element is designed for a pressure sensor for pressure detection in a combustion chamber of an internal combustion engine during operation, wherein the membrane is a separation membrane, wherein a plunger for transmitting deflections of the separation membrane to a
  • the sleeve receives the plunger and a the combustion chamber to be turned first end through the separation membrane is closed and formed at the opposite second end for holding the force-measuring element, wherein the plunger, the diaphragm and the sleeve are integrally formed.
  • the pressure sensor measuring element has at least one stiffening structure for stiffening against deformation or for influencing
  • the pressure sensor measuring element has at least one rib or a projection or a ring.
  • the pressure sensor measuring element has transverse structures in the form of one or more heat shields.
  • the pressure sensor measuring element has at least one channel for
  • the pressure sensor measuring element has at least one cavity between an inner and an outer structure.
  • the pressure sensor measuring element has at least one sensor element for monitoring the function or the structure of the membrane.
  • the pressure sensor gauge is made of steel, stainless steel or NiCrNbMo alloy (e.g., Inconel 718).
  • the invention provides a pressure sensor comprising a pressure sensor measuring element according to one of the preceding
  • the pressure sensor is a combination sensor for detecting both pressure and temperature.
  • the invention provides a pressure sensor measuring element for a pressure sensor for pressure detection in a combustion chamber of a
  • the membrane is a separation membrane
  • a plunger for transmitting deflections of the separation membrane is provided on a force measuring element
  • the sleeve receives the plunger and a one of the combustion chamber to be turned first end is closed by the separation membrane and at the opposite second end for holding the force-measuring element is formed, wherein the plunger, the diaphragm and the sleeve are integrally formed.
  • Sealing points is the goal in the construction of internal combustion engines or other systems to be monitored.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a manufacturing apparatus for
  • Fig. 2 is a schematic diagram of a preferred application of the disclosed herein
  • FIG. 3 is a perspective view of a pressure sensor element according to a first embodiment
  • FIG 5 is another sectional view of the pressure sensor element according to the first embodiment
  • FIG. 6 shows a further sectional view of the pressure sensor element with an inserted sensor element according to the first embodiment
  • Fig. 7 is a plan view of the pressure sensor element shown in Fig. 5;
  • Fig. 8 is a further sectional view of the pressure sensor element with
  • FIG. 9 is a perspective view of the pressure sensor hub according to the first embodiment
  • FIG. 10 is a sectional view of the pressure sensor element according to a second embodiment
  • FIG. 11 is a perspective sectional view of the pressure sensor element according to the second embodiment.
  • FIG. 12 shows a perspective sectional view of a pressure sensor element with structural elements on the inner wall of the sleeve.
  • Fig. 13 is a further perspective sectional view of a
  • a control system 56 e.g. as a software file existing model of a
  • Pressure sensing sensor element physically without the need for special tools and forming equipment by selective solidification of powder material 21, in particular metal powder 22, which is located in a layer 32 in a powder bed 24 generates.
  • Fig. 1 shows a manufacturing apparatus 10 for carrying out the additive manufacturing process for producing the pressure sensor element.
  • Manufacturing apparatus 10 has a process space 12, a
  • Material supply device 14 for the layered provision of material to be processed, for example from a powder reservoir 18, a
  • Beam generating device 36 for generating a processing radiation 42 and the control system 56 on.
  • the powder bed 24 which has a movable powder bed bottom 26, which is moved down after processing a layer 32 by the corresponding processed layer thickness of the respective last passage.
  • Powder bed 26 preferably at an upper position 28th
  • the material supply device 14 has a powder application device 20, which is designed in particular such that, after the processing of a layer 32, a new layer 32 to be processed from the powder supply 18 is applied to the powder bed 24 again.
  • Powder applicator 20 may be, for example, a Schichtverteilschieber 30 or a filling device 16. During the irradiation process by the beam generating device 36, the layer distribution slide 30 is in the waiting position in the area of the material supply device 14 which is not located in the machining radiation area.
  • the Schichtverteilschieber 30 is only one example of the powder applicator 20, it can also more
  • Powder applicators are used, such. Powder nozzles for selective powder application, etc.
  • the powder bed 24 is formed in layers that the workpiece to be generated 34th
  • the beam generating device 36 has a beam generating unit 38 and at least one beam influencing device 46.
  • the beam generating unit 38 generates a processing radiation 42 sufficient for the processing, for example, the processing radiation 42 may be a laser or electron beam.
  • the processing radiation 42 may be a laser or electron beam.
  • the processing radiation 42 may be a laser or electron beam.
  • Beam generating device 36 an optical fiber 40 for directing a
  • the beam influencing device 46 is in particular for steering
  • the beam influencing device 46 has, for example, a lens 44, and the beam influencing device 46 leads, for example
  • the beam generating device 38 can in a plane by means of a beam generating unit-moving device 62 are moved by the control system 56 and beam generating unit-Verfahrschulen 64 perform.
  • the process space 12 is separated from the environment by a protection device 50.
  • the protective device can be designed for example by a transparent to laser radiation protection plate 52 made of glass or other materials.
  • the control system 56 in particular allows the beam generating device 36 to be moved in such a way that certain areas of the material layer 32 to be processed are irradiated in order to form the material at the required areas, for example in the radiation impingement 54 (eg fuse or sinter the powder) and to form the workpiece 34 , After processing all areas relevant to the layer to be processed, the powder bed bottom 26 is moved downwards and the powder application device 20 applies a new material layer for renewed selective irradiation via the previously processed layer 32. For example, this can be done by the
  • the control system 56 can be a data processing system 58, for example a CAD system or similar system, which is connected to the units to be controlled
  • Manufacturing device 10 is connected via a control line 60.
  • a steel material, a stainless steel material and / or a NiCrNbMo alloy (e.g., Inconel 718) is suitable as the powder material 22, the latter materials having particular advantages in corrosion resistance. Sensors made of such material are used, for example
  • Exemplary embodiments of generative manufacturing methods suitable for the production of the pressure sensor armature can be Selective Laser Sintering, Laminated Object Manufacturing, Fused Deposition Modeling, Solid Ground Curing, and SD Print-Like Procedures.
  • FIG. 2 shows a preferred application of the pressure sensor element 66.
  • the pressure sensor measuring element 66 has a first end 70 and a second end 72.
  • the pressure sensor measuring element 66 is brought into direct connection with the first end 70 with a measuring space 74.
  • the measuring space 74 may, for example, a combustion chamber 76 of a
  • the pressure sensor measuring element 66 is designed in particular for monitoring the combustion chamber of an internal combustion engine, such as a
  • Marine engine powered, for example, by heavy fuel oil or diesel
  • High-temperature applications such as the monitoring of turbines, for example, the pressure measurement within a hot steam turbine and injection molding machines.
  • Combustion chamber pressure can be measured online during operation of the internal combustion engine. Based on the pressure signal controls and
  • Regulations for the operation of the machine such as internal combustion engine can be performed, and it can be the operation and the function of the machine such as in particular internal combustion engine monitored.
  • Pressure sensing element 66 which will be explained in more detail later in the description, it is also possible, pressure and temperature differences
  • a temperature difference 82 between the first end 70 and the second end 72 of the pressure measuring element 66 is detected.
  • a temperature difference measuring element can be used for this purpose. As a result, a sensor can be obtained, the one
  • Pressure sensor 66 described which can be produced with the manufacturing apparatus 10 previously described with reference to FIG.
  • the pressure measuring element 66 has a
  • Pressure measuring cell 68 and a force measuring element 88 are manufactured in one piece in the additive manufacturing process.
  • the pressure measuring cell 68 has a membrane plunger unit 1 14 and a sleeve 94.
  • the membrane plunger unit 1 14 has a first membrane or
  • Measuring diaphragm which faces the measuring space 74, in the form of a
  • Separation membrane 92 which is connected by means of a plunger 108 with a second, the measuring space 74 facing away from membrane 1 12 such that
  • Movements of the separation membrane 92 are transferred to the second membrane 1 12.
  • the membrane 92, 1 12, the plunger 108 form the membrane ram unit 1 14, which is housed within the sleeve 94.
  • the sleeve 94 is not reworked in one embodiment.
  • the force measuring element 88 is in particular as a bending beam 90 with
  • the sleeve 94 is, as shown in Fig. 3 can be seen, formed substantially cylindrical. At the first end 70, the sleeve 94 has at its outer periphery a radially extending flange 86, which terminates flush in the region of the separating membrane 92.
  • the separation membrane 92 can be influenced in its membrane properties by structuring or changes to the geometry.
  • the flange 86 is not reworked in one embodiment.
  • the pressure measuring cell 68 will be described in more detail below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the pressure measuring cell 68 has only one component or part, namely the one-piece unit of the sleeve 94, the separation membrane 92, the plunger 108 and the membrane 1 12 at the second end 72.
  • the sleeve 94 and the plunger 108 have in the inner region between a Outside wall 1 10 of the plunger 108 and an inner wall 106 of the sleeve 94 has a smooth surface.
  • the pressure measuring cell 68 is manufactured by the generative manufacturing method. At the second end 72 of the pressure measuring cell 68 of the bending beam 90 is attached to the second membrane 1 12.
  • Pressure measuring cell 68 after the loose material powder 22 has been removed, are closed, for example, by a closure ring 98.
  • the at least one powder outlet opening 96 should be sufficient
  • the closure ring 98 is applied to close the powder outlet opening 96 and, as shown in Fig. 4, welded at two annular welds 100 with the sleeve 94 and the membrane 1 12 at the second end 72 of the pressure measuring cell 68.
  • the welding process may be, for example
  • the pressure measuring cell 68 in the region of the second end 72 has an axially extending shoulder 102 with a smaller diameter than the sleeve.
  • a channel 120 is provided which extends from the first end to the second end of the pressure measuring cell 68 and in the
  • At least one further sensor element 122 can be inserted.
  • Sensor element 122 may, for example, a resistance sensor or a
  • the sectional view partially structural elements 136 are shown.
  • the structural elements 136 are arranged on the inner wall of the sleeve 106 radially on the entire circumference and extend axially. Size, number and
  • the design of the structural elements 136 are illustrated by way of example in all figures and can vary depending on the necessity of influencing the respective parameter.
  • the structural elements 136 serve to influence different parameters such as, for example, the rigidity, temperature conduction and the resonance frequency and can be mounted, for example, in the form of ribs 138 on the respective component.
  • FIG. 5 shows a different sectional plane from that shown in FIG. 4, from which it can be seen that the channel 120 extends to the first end 70 of the pressure measuring cell 68 and at least one opening 132 for carrying out a further sensor, i.
  • the temperature sensor is suitable.
  • the opening 132 is reworked in one embodiment, for example drilled to a diameter of 0.2 mm.
  • FIG. 6 shows the same sectional plane as FIG. 5.
  • the additional sensor element 122 is now inserted into the channel 120 of the plunger 108 of the pressure measuring cell 68 in FIG.
  • the at least one opening 132 can be seen, in which at least one sensor tip 130 of the additional sensor element 122 is positioned.
  • the sensor tip 130 is flush with the separation membrane 92.
  • the production of the tightness can be done by connecting the sensor tip 130 and separation membrane 92, for example by welding.
  • the sensor tip 130 is thus positioned near the measuring space 74, which may represent, for example, the combustion chamber temperature TB 78 of the combustion chamber 76.
  • the sensor element 122 also the review of
  • separation membrane 92 serve. Furthermore, elements can be attached to the membrane for monitoring the membrane structure or the function of the separation membrane 92. An example is the attachment of a resistor to the inside of the separation membrane 92. This allows cracks in the
  • Fig. 7 shows a plan view of the pressure measuring cell 68. In the center are the
  • Openings for insertion 132 of the additional sensor element 122 and an associated signal line 124 or connecting line 126 can be seen.
  • the conduits 124, 126 may be routed out of the pressure sensing cell 68 at the second end 72 through conduit passages 128 to processing electronics (not shown).
  • Powder exit port 96 has been removed.
  • the powder outlet opening 96 is arranged in the region of the second end 72.
  • a second embodiment is shown in FIG. In contrast to the first embodiment described so far no powder outlet openings 96 are present in these embodiments, and the material powder 22 remains in the pressure measuring cell 68. In this way, in particular the
  • Temperature passage can be influenced.
  • Fig. 1 1 shows a section in the region of the flange 86.
  • the pressure measuring cell 68 may have further transverse structures.
  • the flange 86 has a heat shield 134 inside the pressure measuring cell.
  • the channel 120 is arranged in the center of the pressure measuring cell 68.
  • FIGS. 12 and 13 Further embodiments of the structural elements 136 of sleeve 94 and plunger 108 can be seen in FIGS. 12 and 13. For better representation is the
  • Pressure measuring cell 68 cut in the region between the first end 70 and the second end 72, wherein the structural elements 136 in FIGS. 12 and 13
  • stiffening ribs 138 are exemplified as stiffening ribs 138.
  • Other possibilities include the provision of channels in the wall or the
  • Resonance frequency which would be in the first drawing without stiffening ribs at about 7 kilohertz, in the range of 20 kilohertz or above.
  • the plunger in FIG. 13 has further ribs 138.
  • the interior of the pressure measuring cell 68 should be tight to prevent penetration of the combustion gas into the pressure measuring cell when the separation membrane 92 fails to prevent. Therefore, in a preferred embodiment, the at least one powder outlet opening 96 is closed with a powder outlet opening closure ring 98.
  • the powder discharge port lock ring 98 becomes
  • the stainless steel grades with the material numbers 1 .4542 and 1 .4548 are suitable for use in one
  • An important aspect of the invention relates to the combination of at least two sensors. This creates a combination sensor, which pressure and
  • pressure and temperature at the separation membrane 92 can be measured. It is also possible to output pressure and temperature difference. For this purpose, a temperature difference between the membrane side and the back is detected. As a result, a sensor can be obtained, the one
  • Pressure sensor A particular difficulty of this type of pressure sensors is the production of special runs of channels, in particular a central bore. Such a central bore is manufacturing technology with cutting Process more difficult to produce. For this is the generative pressure sensor.
  • channels for lines especially one
  • Thermocouple or the like produce.
  • Another possibility is to produce, for example, in the wall channels or axial decoupling geometries. So the outer shell, the more
  • stiffening ribs These are shown in the already explained figures as an example. With such stiffening ribs in particular resonance frequencies can be influenced. Thus, a resonance frequency, which in the first drawing without stiffening ribs would be about 7 kilohertz, can be in the range of 20
  • elements can be attached to the separation membrane 92 for monitoring the membrane structure or the function of the separation membrane 92.
  • An example is the attachment of a resistor to the inside of the separation membrane 92. This allows cracks in the separation membrane 92 to be monitored. If a crack occurs on the separating membrane 92, the electrical resistance changes.
  • the manufacturing process is then such that, if the corresponding layer were to be built, a different powder material would be applied to provide the material for the resistor.
  • Another example would be the arrangement of cross structures, such as the heat shield 134.
  • the membrane is arranged for example in a combustion chamber of an engine; here it is, the temperature of the electronics
  • the powder discharge holes 96 should have a sufficiently large diameter so that the powder can be completely removed. These can then be closed by a closing element - for example, the powder outlet opening-locking ring 98.
  • Another alternative embodiment involves leaving the powder material 21 in the sensor.
  • the separation membrane 92 At the separation membrane 92, other post-processing steps can be performed.
  • the membrane thickness of the separation membrane 92 should be maintained.
  • structuring of the separation membrane 92 may also be performed.
  • An example is that from the outside towards the middle a slight angle is set back can be introduced to the force element in the membrane to the
  • Pressure sensor is expressly referred to WO2010 / 149501 A1, which is incorporated herein by reference. Further details of advantageous embodiments of the invention result from a combination of measures, steps, features and technologies described herein with the disclosure of WO 2010/149501 A1.
  • the invention provides a method for producing a pressure sensor element for a pressure sensor, which has at least one membrane and a sleeve supporting the membrane, wherein the
  • Manufacturing process is produced. This makes it easy to set up, for example, a combination sensor for detecting pressure and another parameter.
  • structures for stiffening or resonance frequency influencing or for influencing heat conduction can be introduced.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

Um Druckmesssensorelemente kostengünstig herstellen zu können, schafft die Erfindung gemäß einem Aspekt davon ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensormesselements für einen Drucksensor, welches wenigstens eine Membran und eine die Membran stützende Hülse aufweist, wobei das Drucksensormesselement in einem schichtweisen generativen Fertigungsverfahren hergestellt wird. Damit lässt sich z.B. ein Kombisensor zur Erfassung von Druck und einem weiteren Parameter einfach aufbauen. Außerdem können Strukturen zur Versteifung oder Resonanzfrequenzbeeinflussung oder zur Wärmeleitungsbeeinflussung eingebracht werden.

Description

VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES DRUCKSENSORMESSELEMENTS SOWIE DAMIT ERHÄLTLICHES DRUCKSENSORMESSELEMENT
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
Drucksensormesselements, wie es insbesondere aus der WO 2010/149501 A1 bekannt ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein mit einem solchen Verfahren erhältliches Drucksensormesselement sowie einen damit versehenen
Drucksensor.
Die WO 2010/149501 A1 beschreibt ein Drucksensormesselement sowie einen damit versehenen Drucksensor zur Druckerfassung in einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine während deren Betrieb. Hierfür weist das
Drucksensormesselement eine Trennmembran, einen Stößel zum Übertragen von Auslenkungen der Trennmembran auf ein Kraftmesselement und eine den Stößel aufnehmenden Hülse auf, wobei die Trennmembran und der Stößel einstückig als Membran-Stößel-Einheit ausgebildet ist. Eine Druckmessung im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine erfolgt unter Abschirmung der Kraftmesssensorik von den im Brennraum herrschenden Bedingungen. Zur Herstellung des
Drucksensormesselements werden die Hülse und die Trennmembran- Stößeleinheit jeweils separat durch Drehen oder durch sonstige spanabhebende Fertigungsverfahren aus einem monolithischen Edelstahl gefertigt, dann ineinandergefügt und mittels Schweißverbindungen verbunden. Hierzu werden Randbereiche einer ersten dem Brennraum zuzuwendenden Membran und einer zweiten dem Brennraum abgewandt anzuordnenden Membran mittels Schweißen mit entsprechenden Rändern der Hülse verbunden. Dadurch wird ein
Druckmesselement geschaffen, das eine hohe Genauigkeit mit einer geringen Temperaturabhängigkeit und einer geringen Anzahl von Teilen verknüpft. Durch das Metall als Werkstoff lässt sich Wärme gut ableiten. Ausgehend vom Stand der Technik nach der WO 2010/149501 A1 hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, ein hinsichtlich Herstellbarkeit und/oder
Funktionsumfang verbessertes Drucksensormesselement zu schaffen.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1 . Ein damit herstellbares Drucksensormesselement und ein damit versehener Drucksensor sind in den Nebenansprüchen angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensormesselements für einen Drucksensor, welches wenigstens eine Membran und eine die Membran stützende Hülse aufweist, wobei das
Drucksensormesselement in einem schichtweisen generativen
Fertigungsverfahren hergestellt wird.
Es ist bevorzugt, dass das generative Fertigungsverfahren ein
Metallpulverschichtverfahren ist, bei dem Metallpulver schichtweise aufgetragen und mit einem Laser- oder Elektronenstrahl selektiv verformt wird, der
computergesteuert selektiv über eine Pulverschicht verfahren wird, um
ausgewählte Bereiche zu verfestigen.
Es ist bevorzugt, dass ein derartiges Metallpulver verwendet wird und die
Verfestigung derart erfolgt, dass das Drucksensormesselement aus einem
Stahlmaterial, einem Edelstahlmaterial und/oder aus einer NiCrNbMo-Legierung (insbesondere aus einem Werkstoff mit der Werkstoffnummer 2.4668, wie z.B. Inconel 718) hergestellt wird.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung mit dem generativen Fertigungsverfahren wird einstückig eine Trennmembran, ein Stößel zum Übertragen von
Auslenkungen der Trennmembran auf ein Kraftmesselement und eine den Stößel aufnehmende Hülse sowie eine die Hülse auf der der Trennmembran
entgegengesetzten Seite abschließende weitere Membran gefertigt. Es ist bevorzugt, dass mit dem generativen Fertigungsverfahren wenigstens ein Kanal oder eine Entkopplungsstruktur zur Entkopplung der Membran oder der Hülse von inneren Strukturen des Drucksensormesselements und/oder ein durch das Drucksensormesselement hindurchführenden Kanal für wenigstens eine Anschluss- oder Signalleitung und/oder eine durch das Drucksensormesselement führende Signal- oder Anschlussleitung und/oder wenigstens eine
Versteifungsstruktur zur Beeinflussung einer Biegecharakteristik und/oder einer Resonanzfrequenz und/oder wenigstens ein Teil eines elektronischen
Bauelements, wie insbesondere eines elektrischen Widerstands und/oder wenigstens eine Querstruktur und/oder wenigstens ein Hitzeschild gefertigt wird.
Es ist das Anbringen wenigstens eines Sensorelements zur Messung eines weiteren Parameters im Bereich der Membran und/oder der Hülse und
Kontaktieren des Sensorelements mittels der Signal- oder Anschlussleitung bevorzugt.
Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine Sensorelement ausgewählt wird aus einem Temperatursensorelement zur Messung einer Temperatur, einem
Temperaturdifferenzmesselement zum Erfassen einer Temperaturdifferenz zwischen der Membran und einem der Membran abgewandten Bereich der Hülse, einem Membranstrukturüberwachungselement zur Überwachung der
Membranstruktur und einem Widerstandselement zum Erfassen eines elektrischen Widerstands zumindest eines Bereichs der Membran.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung zeichnet sich das Verfahren durch
Oberflächennachbearbeiten zumindest an der Membran aus.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens eine Pulveraustrittsöffnung zum Entfernen von Pulvermaterial aus einem Hohlraum der mit dem generativen Fertigungsverfahren gefertigten Struktur eingebracht wird und das Pulver durch die wenigstens eine Pulveraustrittsöffnung entfernt wird und die wenigstens eine Pulveraustrittsöffnung verschlossen wird. Bei einer alternativen Ausgestaltung ist bevorzugt, dass das Pulvermaterial in einem Hohlraum der mit dem generativen Fertigungsverfahren gefertigten Struktur beibehalten wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein
Drucksensormesselement, umfassend:
wenigstens eine Membran und eine Hülse zum Stützen der Membran sowie wenigstens ein Sensorelement zur Messung eines weiteren Parameters im
Bereich der Membran.
Das Drucksensormesselement ist insbesondere durch ein Verfahren nach einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen hergestellt oder damit herstellbar.
Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine Sensorelement ausgewählt ist aus einem Temperatursensorelement zur Messung einer Temperatur, einem
Temperaturdifferenzmesselement zum Erfassen einer Temperaturdifferenz zwischen der Membran und einem der Membran abgewandten Bereich der Hülse, einem Membranstrukturüberwachungselement zur Überwachung der
Membranstruktur und einem Widerstandselement zum Erfassen eines elektrischen Widerstands zumindest eines Bereichs der Membran.
Es ist bevorzugt, dass das wenigstens Sensorelement ausgewählt ist aus einem Temperatursensorelement zur Messung einer Temperatur, einem
Temperaturdifferenzmesselement zum Erfassen einer Temperaturdifferenz zwischen der Membran und einem der Membran abgewandten Bereich der Hülse, einem Membranstrukturüberwachungselement zur Überwachung der
Membranstruktur und einem Widerstandselement zum Erfassen eines elektrischen Widerstands zumindest eines Bereichs der Membran.
Vorzugsweise ist das Drucksensormesselement für einen Drucksensor zur Druckerfassung in einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine während deren Betrieb ausgebildet, wobei die Membran eine Trennmembran ist, wobei ein Stößel zum Übertragen von Auslenkungen der Trennmembran auf ein
Kraftmesselement vorgesehen ist, wobei die Hülse den Stößel aufnimmt und ein einem dem Brennraum zuzuwendenden ersten Ende durch die Trennmembran verschlossen ist und an dem entgegengesetzten zweiten Ende zum Halten des Kraftmesselements ausgebildet ist, wobei der Stößel, die Membran und die Hülse einstückig ausgebildet sind.
Bevorzugt hat das Drucksensormesselement wenigstens eine Versteifungsstruktur zur Versteifung gegen Verformungen oder zur Beeinflussung von
Resonanzfrequenzen.
Bevorzugt hat das Drucksensormesselement wenigstens eine Rippe oder einem Vorsprung oder einem Ring.
Bevorzugt hat das Drucksensormesselement Querstrukturen in Form eines oder mehrere Hitzeschilder.
Bevorzugt hat das Drucksensormesselement wenigstens einen Kanal zur
Durchführung wenigstens einer Leitung oder zur Entkopplung einer inneren Struktur und einer äußeren Struktur.
Bevorzugt hat das Drucksensormesselement wenigstens einen Hohlraum zwischen einer inneren und einer äußeren Struktur.
Bevorzugt hat das Drucksensormesselement wenigstens ein Sensorelement zur Überwachung der Funktion oder der Struktur der Membran.
Bevorzugt ist das Drucksensormesselement gefertigt aus Stahl, Edelstahl oder aus einer NiCrNbMo-Legierung (z.B. Inconel 718).
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Drucksensor, umfassend ein Drucksensormesselement nach einer der voranstehenden
Ausgestaltungen.
Vorzugsweise ist der Drucksensor ein Kombinationssensor zur Erfassung sowohl von Druck als auch einer Temperatur. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Drucksensormesselement für einen Drucksensor zur Druckerfassung in einem Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine während deren Betrieb, wobei die Membran eine Trennmembran ist, wobei ein Stößel zum Übertragen von Auslenkungen der Trennmembran auf ein Kraftmesselement vorgesehen ist, wobei die Hülse den Stößel aufnimmt und ein einem dem Brennraum zuzuwendenden ersten Ende durch die Trennmembran verschlossen ist und an dem entgegengesetzten zweiten Ende zum Halten des Kraftmesselements ausgebildet ist, wobei der Stößel, die Membran und die Hülse einstückig ausgebildet sind.
Im Folgenden werden einige Vorteile von besonders bevorzugten
Ausgestaltungen der Erfindung näher erläutert.
Insbesondere bei an Brennräumen verwendeten Drucksensoren aber auch bei anderen Drucksensoren wäre oft zusätzlich zur Druckmessung eine
Temperaturmessung wünschenswert.
Jedoch führen die hohen Drücke und Temperaturen in einem Brennraum oder in andere zu messenden Medien dazu, dass versucht wird, eine möglichst geringe Anzahl von Verbindungen nach außerhalb des Brennraums oder des zu
messenden Druckraums vorzusehen. Eine Reduzierung der Anzahl der
Dichtstellen ist hierbei Ziel bei der Konstruktion von Verbrennungskraftmaschinen oder sonstigen zu überwachenden Anlagen.
Bei bisher eingesetzten Drucksensormesselementen ist die Fertigung von speziellen Verläufen von Kanälen, wie insbesondere eine mittige Bohrung oder dergleichen schwierig. Eine solche mittige Bohrung ist fertigungstechnisch mit spanabhebenden Verfahren schwieriger herzustellen.
Mit dem erfindungsgemäß einzusetzenden generativen Fertigungsverfahren lassen sich sehr unterschiedliche und auch komplexe Formen relativ leicht herstellen. Somit können Strukturen für unterschiedliche zusätzliche Funktionen leicht implementiert werden. Insbesondere können nun leicht Kanäle oder dergleichen hergestellt werden, so dass es nun relativ einfach möglich ist, zusätzliche Sensorelemente in dem Drucksensormesselement zur Messung weiterer Parameter im Bereich der vorderen Membran unterzubringen und durch Kanäle oder Leitungen hindurch von hinten zu kontaktieren.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Fertigungsvorrichtung zum
Durchführen eines generativen Fertigungsverfahren im Verlauf eines Herstellens eines Drucksensormesselements gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer bevorzugten Anwendung des hier offenbarten
Drucksensormesselements;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Drucksensormesselements gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 4 eine Schnittansicht des Drucksensormesselements gemäß der ersten
Ausführungsform;
Fig. 5 eine weitere Schnittansicht des Drucksensormesselements gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 6 eine weitere Schnittansicht des Drucksensormesselements mit einem eingesetzten Sensorelement gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 7 eine Draufsicht des in Fig. 5 dargestellten Drucksensormesselements;
Fig. 8 eine weitere Schnittansicht des Drucksensormesselements mit
unverschlossenen Pulveraustrittsöffnungen gemäß der ersten
Ausführungsform; Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des Drucksensornnesselennents gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 10 eine Schnittansicht des Drucksensormesselements gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 1 1 eine perspektivische Schnittansicht des Drucksensormesselements gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 12 eine perspektivische Schnittansicht eines Drucksensormesselements mit Strukturelementen auf der Innenwandung der Hülse; und
Fig. 13 eine weitere perspektivische Schnittansicht eines
Drucksensormesselements mit Strukturelementen auf der Innenwandung der Hülse und Außenwandung des Stößels
Im Folgenden wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, um ein
Herstellverfahren zum Herstellen eines Drucksensormesselements zu erläutern. Bei dem Herstellverfahren wird ein generatives Fertigungsverfahren verwendet. Bei dem hier beschriebenen generativen Fertigungsverfahren wird ein in einer Steuerungsanlage 56 z.B. als Softwaredatei vorhandenes Modell eines
Druckmesssensorelements physisch ohne die Erforderlichkeit von speziellen Werkzeugen und formgebenden Einrichtungen durch selektive Verfestigung von Pulvermaterial 21 , insbesondere Metallpulver 22, das sich in einer Schicht 32 in einem Pulverbett 24 befindet, erzeugt.
Fig. 1 zeigt eine Fertigungsvorrichtung 10 zum Durchführen des generativen Fertigungsverfahren zum Herstellen des Drucksensormesselements. Die
Fertigungsvorrichtung 10 weist einen Prozessraum 12, eine
Materialbereitstellungseinrichtung 14 zum schichtweisen Bereitstellen von zu verarbeitendem Material, beispielsweise aus einem Pulvervorrat 18, eine
Strahlerzeugungseinrichtung 36 zum Erzeugen einer Bearbeitungsstrahlung 42 sowie die Steuerungsanlage 56 auf. In dem Prozessraum 12 befindet sich das Pulverbett 24, das einen beweglichen Pulverbettboden 26 aufweist, der nach Verarbeitung einer Schicht 32 um die entsprechende verarbeitete Schichtstärke des jeweils letzten Durchgangs nach unten bewegt wird. Zu Beginn des Herstellprozesses befindet sich der
Pulverbettboden 26 vorzugsweise auf einer oberen Position 28.
Die Materialbereitstellungseinrichtung 14 weist eine Pulverauftragseinrichtung 20 auf, die insbesondere derart ausgebildet ist, dass nach der Verarbeitung einer Schicht 32 durch diese wieder eine neue zu verarbeitende Schicht 32 aus dem Pulvervorrat 18 auf das Pulverbett 24 aufgebracht wird. Die
Pulverauftragseinrichtung 20 kann beispielsweise ein Schichtverteilschieber 30 oder eine Befüllvorrichtung 16 sein. Während des Bestrahlungsvorgangs durch die Strahlerzeugungseinrichtung 36 befindet sich der Schichtverteilschieber 30 in Wartestellung im Bereich der Materialbereitstellungseinrichtung 14, die nicht im Bearbeitungsstrahlungsbereich liegt. Der Schichtverteilschieber 30 ist lediglich ein Beispiel für die Pulverauftragseinrichtung 20, es können auch weitere
Pulverauftragseinrichtungen eingesetzt werden, wie z.B. Pulverdüsen zum selektiven Pulverauftrag usw. Im Pulverbett 24 entsteht schichtweise das das zu erzeugende Werkstück 34.
Die Strahlerzeugungseinrichtung 36 weist eine Strahlerzeugungseinheit 38 sowie wenigstens eine Strahlbeeinflussungseinrichtung 46 auf.
Die Strahlerzeugungseinheit 38 erzeugt einen für die Bearbeitung ausreichende Bearbeitungsstrahlung 42, zum Beispiel kann die Bearbeitungsstrahlung 42 ein Laser- oder Elektronenstrahl sein. Gegebenenfalls weist die
Strahlerzeugungseinrichtung 36 eine Lichtfaser 40 zum Leiten einer als
Laserstrahl ausgebildeten Bearbeitungsstrahlung 42 auf.
Die Strahlbeeinflussungseinrichtung 46 ist insbesondere zum Lenken,
Fokussieren oder sonstigen Beeinflussen der Bearbeitungsstrahlung ausgebildet. Hierfür weist die Strahlbeeinflussungseinrichtung 46 beispielsweise eine Linse 44 auf, und die Strahlbeeinflussungseinrichtung 46 führt beispielsweise
Fokussierbewegungen 48 durch. Die Strahlerzeugungseinrichtung 38 kann in einer Ebene mittels einer Strahlerzeugungseinheit-Verfahreinrichtung 62 durch die Steuerungsanlage 56 bewegt werden und Strahlerzeugungseinheit- Verfahrbewegungen 64 durchführen.
Der Prozessraum 12 ist durch eine Schutzvorrichtung 50 von der Umgebung getrennt. Die Schutzvorrichtung kann beispielsweise durch eine für Laserstrahlung durchlässige Schutzscheibe 52 aus Glas oder anderen Materialien ausgeführt sein.
Die Steuerungsanlage 56 lässt insbesondere die Strahlerzeugungseinrichtung 36 derart verfahren, dass bestimmte Bereiche der zu verarbeitenden Materialschicht 32 bestrahlt werden, um so das Material an den erforderlichen Bereichen, beispielsweise im Strahlungsauftreffpunkt 54, urzuformen (z.B. das Pulver verschmelzen oder sintern) und das Werkstück 34 auszubilden. Nach Bearbeitung aller für die zu bearbeitende Schicht relevanten Bereiche wird der Pulverbettboden 26 nach unten verfahren und die Pulverauftragseinrichtung 20 bringt über die zuvor bearbeitete Schicht 32 eine neue Materialschicht zur erneuten selektiven Bestrahlung auf. Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, dass der
Schichtverteilschieber 30 über das Pulverbett 24 verfährt. Die Steuerungsanlage 56 kann eine Datenverarbeitungsanlage 58 sein, beispielsweise ein CAD-System oder ähnliches System, die mit den zu steuernden Einheiten der
Fertigungsvorrichtung 10 über eine Steuerungsleitung 60 verbunden ist.
Als Pulvermaterial 22 ist insbesondere ein Stahlmaterial, ein Edelstahlmaterial und/oder eine NiCrNbMo-Legierung (z.B. Inconel 718) geeignet, wobei die letzten Materialien besondere Vorteile hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit aufweist. Aus derartigem Material hergestellte Sensoren werden beispielsweise bei
Schiffsdieselmotoren eingesetzt. Darin werden aus Kostengründen Schweröle oder dergleichen verbrannt. Falls bei kalten Motoren Schweröle verbrannt werden, entstehen Rückstände, die besonders problematisch hinsichtlich Korrosionen der Motorbestandteile sind.
Ausführungsbeispiele von zur Herstellung des Drucksensormesselents geeigneten generativen Herstellverfahren können Selective Laser Sintering, Laminated Object Manufacturing, Fused Depostion Modelling, Solid Ground Curing sowie SD-Druckähnliche Verfahren umfassen.
Mit der Fertigungsvorrichtung 10 kann so schichtweise als Werkstück ein
Drucksensormesselennent 66 hergestellt werden, das im Folgenden anhand der verbleibenden Figuren näher erläutert wird.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Anwendung des Drucksensormesselements 66.
Wie in Fig. 2 ersichtlich, weist das Drucksensormesselement 66 ein erstes Ende 70 und ein zweites Ende 72 auf. Das Drucksensormesselement 66 wird mit dem ersten Ende 70 voraus mit einem Messraum 74 in direkte Verbindung gebracht. Der Messraum 74 kann zum Beispiel ein Brennraum 76 einer
Verbrennungskraftmaschine sein. Beispielsweise kann daher das erste Ende 70 eine brennraumzugewandte Seite und das zweite Ende 72 eine
brennraumabgewandte Seite sein.
Das Drucksensormesselement 66 ist insbesondere zur Brennraumüberwachung einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet, wie beispielsweise eines
Schiffsmotors (angetrieben beispielsweise mit Schweröl oder Diesel),
Dieselmotoren für Baumaschinen und Kraftfahrzeuge, oder eines Ottomotors für Kraftfahrzeuge und dergleichen, sowie in Bereichen von
Hochtemperaturanwendungen wie die Überwachung von Turbinen, beispielsweise der Druckmessung innerhalb einer Heißdampfturbine sowie Spritzgussmaschinen.
Ebenfalls eignen sich derartige Druckmesssensorelemente 66 auch für
Messungen an korrosiven Medien wie diese unter anderem auch in der
Prozesstechnik in der Chemie vorkommen.
Mit dem Drucksensormesselement 66 kann somit ein Druck 84 online im Betrieb einer zu überwachenden Anlage oder Maschine, insbesondere ein
Brennraumdruck online während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine gemessen werden. Anhand des Drucksignals können Steuerungen und
Regelungen zum Betrieb der Maschine wie z.B. Verbrennungskraftmaschine durchgeführt werden, und es kann der Betrieb und die Funktion der Maschine wie insbesondere Verbrennungskraftmaschine überwacht werden. Durch
zweckmäßige Positionierung von weiteren Sensorelementen 122 in des
Druckmesselements 66, was im Verlauf der Beschreibung später detaillierter erklärt wird, ist es ebenso möglich, Druck- und Temperaturdifferenzen
auszugeben. Hierzu wird beispielsweise eine Temperaturdifferenz 82 zwischen dem ersten Ende 70 und dem zweiten Ende 72 des Druckmesselements 66 erfasst. Ebenso kann hierfür beispielsweise ein Temperaturdifferenzmesselement verwendet werden. Hierdurch kann ein Sensor erhalten werden, der einen
Temperaturdurchgang und/oder Temperaturleitung erfasst.
Bezugnehmend auf die Fig. 3 bis 5 wird eine Ausführungsform des
Drucksensormesselements 66 beschrieben, das mit dem zuvor in Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Fertigungsvorrichtung 10 herstellbar ist.
Wie aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich, weist das Druckmesselement 66 eine
Druckmesszelle 68 und ein Kraftmesselement 88 auf. Die Druckmesszelle 68 wird einstückig in dem generativen Fertigungsverfahren hergestellt.
Die Druckmesszelle 68 weist eine Membran-Stößel-Einheit 1 14 und eine Hülse 94 auf. Die Membran-Stößel-Einheit 1 14 weist eine erste Membran oder
Messmembran, die dem Messraum 74 zugewandt ist, in Form einer
Trennmembran 92 auf, die mittels eines Stößels 108 mit einer zweiten, dem Messraum 74 abgewandten Membran 1 12 derart verbunden ist, dass
Bewegungen der Trennmembran 92 auf die zweite Membran 1 12 übertragen werden. Die Membrane 92, 1 12, der Stößel 108 bilden die Membran-Stößel- Einheit 1 14, die innerhalb der Hülse 94 untergebracht ist. Die Hülse 94 wird bei einer Ausgestaltung nicht nachbearbeitet.
Das Kraftmesselement 88 ist insbesondere als Biegebalken 90 mit
Dehnmessstreifen ausgebildet.
Die Hülse 94 ist, wie in Fig. 3 ersichtlich ist, im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. An dem ersten Ende 70 weist die Hülse 94 an ihrem Außenumfang einen sich radial erstreckenden Flansch 86 auf, der im Bereich der Trennmembran 92 bündig abschließt. Die Trennmembran 92 kann in ihren Membraneigenschaften durch Strukturierung oder Änderungen an der Geometrie beeinflusst werden. Der Flansch 86 wird bei einer Ausgestaltung nicht nachbearbeitet.
Die Druckmesszelle 68 wird im Folgenden in Bezug auf Fig. 4 und 5 näher beschrieben. Die Druckmesszelle 68 weist lediglich ein Bauelement oder Teil auf, nämlich die einstückige Einheit aus der Hülse 94, der Trennmembran 92, dem Stößel 108 und der Membran 1 12 am zweiten Ende 72. Die Hülse 94 und der Stößel 108 weisen im inneren Bereich zwischen einer Außenwandung 1 10 des Stößels 108 und einer Innenwandung 106 der Hülse 94 eine glatte Oberfläche auf. Die Druckmesszelle 68 ist durch das generatives Herstellverfahren gefertigt. Am zweiten Ende 72 der Druckmesszelle 68 wird der Biegebalken 90 auf die zweite Membran 1 12 befestigt.
Bei der Herstellung der Druckmesszelle 68 verbleibt durch das generative
Herstellungsverfahren unbearbeitetes, loses Pulvermaterial 22 im Hohlraum 104 zwischen Stößel 108 und Innenwandung 106 der Hülse, wobei die wenigstens eine Pulveraustrittsöffnung 96 aufgrund des Herstellens der Dichtigkeit der
Druckmesszelle 68, nachdem das lose Materialpulver 22 entfernt wurde, verschlossen werden, beispielsweise durch einen Verschlussring 98. Die wenigstens eine Pulveraustrittsöffnung 96 sollte einen ausreichenden
Durchmesser aufweisen, damit das Materialpulver vollständig entfernt werden kann. Der Verschlussring 98 wird zum Verschließen der Pulveraustrittsöffnung 96 aufgebracht und, wie in Fig. 4 gezeigt, an zwei ringförmigen Schweißstellen 100 mit der Hülse 94 und der Membran 1 12 am zweiten Ende 72 der Druckmesszelle 68 verschweißt. Das Schweißverfahren kann beispielsweise ein
Laserschweißverfahren sein. Zu diesem Zweck weist die Druckmesszelle 68 im Bereich des zweiten Endes 72 einen sich axial erstreckenden Absatz 102 mit einem geringeren Durchmesser als die Hülse auf. Auf diesen
Verschlussringabsatz 102 wird der Verschlussring 98 aufgeschoben. Im Bereich des ersten Endes 70 geht die Trennmembran 92 im äußeren radialen Umfang im Ringmembranbereich 1 18 in die Wandung der Hülse 94 über. Bei der Membran 1 12 am zweiten Ende 72 verhält es sich analog hierzu.
Innerhalb des Stößels 108 ist ein Kanal 120 vorgesehen, der sich vom ersten Ende bis zum zweiten Ende der Druckmesszelle 68 erstreckt und in den
wenigstens ein weiteres Sensorelement 122 eingeführt werden kann. Das
Sensorelement 122 kann beispielsweise ein Widerstandssensor oder ein
Temperatursensor sein.
Durch die Schnittdarstellung sind teilweise Strukturelemente 136 dargestellt. Die Strukturelemente 136 sind an der Innenwandung der Hülse 106 radial auf dem gesamten Umfang angeordnet und verlaufen axial. Größe, Anzahl und
Ausgestaltung der Strukturelemente 136 sind in sämtlichen Figuren beispielhaft dargestellt und können je nach Erforderlichkeit der Beeinflussung des jeweiligen Parameters variieren. Die Strukturelemente 136 dienen der Beeinflussung unterschiedlicher Parameter wie beispielsweise der Steifigkeit, Temperaturleitung sowie der Resonanzfrequenz und können beispielsweise in Form von Rippen 138 auf der jeweiligen Komponente angebracht sein.
Fig. 5 zeigt einen gegenüber Fig. 4 andere Schnittebene, aus der ersichtlich ist, dass der Kanal 120 bis an das erste Ende 70 der Druckmesszelle 68 erstreckt und wenigstens eine Öffnung 132 zum Durchführen eines weiteren Sensors, d.h.
insbesondere des Temperatursensors, geeignet ist. Die Öffnung 132 wird bei einer Ausgestaltung nachbearbeitet, beispielsweise auf einen Durchmesser von 0,2 mm nachgebohrt.
Fig. 6 zeigt die gleiche Schnittebene wie Fig. 5. Im Unterschied zu Fig. 5 ist nun in Fig. 6 das zusätzliche Sensorelement 122 in den Kanal 120 des Stößels 108 der Druckmesszelle 68 eingeführt.
In einem Trennmembran-Stößel-Übergangsbereich 1 16 ist die wenigstens eine Öffnung 132 zu erkennen, in welche wenigstens eine Sensorspitze 130 des zusätzlichen Sensorelements 122 positioniert wird. Die Sensorspitze 130 ist mit der Trennmembran 92 bündig abgeschlossen.
Die Herstellung der Dichtigkeit kann durch Verbinden von Sensorspitze 130 und Trennmembran 92 erfolgen, beispielsweise durch Schweißen.
Die Sensorspitze 130 ist somit nahe dem Messraum 74 positioniert, was zum Beispiel die Brennraumtemperatur TB 78 des Brennraums 76 darstellen kann.
Andererseits kann das Sensorelement 122 auch der Überprüfung der
Oberflächenstruktur der Trennmembran 92 dienen. Weiter lassen sich Elemente an der Membran zur Überwachung der Membranstruktur oder der Funktion der Trennmembran 92 anbringen. Ein Beispiel ist die Anbringung eines Widerstandes an der Innenseite der Trennmembran 92. Damit lassen sich Risse in der
Trennmembran 92 überwachen. Entsteht ein Riss an der Trennmembran 92, ändert sich der elektrische Widerstand.
Bei der Fertigung eines derartigen Widerstands könnte so vorgegangen werden, dass dann, wenn die entsprechende Schicht aufzubauen wäre, ein anderes Pulvermaterial angebracht würde, um das Material für den Widerstand
bereitzustellen.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht der Druckmesszelle 68. Im Zentrum sind die
Öffnungen zum Einführen 132 des zusätzlichen Sensorelements 122 und eine zugehörige Signalleitung 124 oder Anschlussleitung 126 ersichtlich. Die Leitungen 124, 126 können an dem zweiten Ende 72 durch Leitungsdurchgangsöffnungen 128 aus der Druckmesszelle 68 heraus zu einer verarbeitenden Elektronik (nicht dargestellt) geführt werden.
Fig. 8 und 9 zeigen den Fertigungszustand der Druckmesszelle 68 nach der Herstellung, nachdem das Pulvermaterial 22 durch die wenigstens eine
Pulveraustrittsöffnung 96 entfernt worden ist. Die Pulveraustrittsöffnung 96 ist im Bereich des zweiten Endes 72 angeordnet. Eine zweite Ausführungsform ist in Fig. 10 dargestellt. Im Unterschied zu der bisher beschriebenen ersten Ausführungsform sind bei dieser Ausführungsformen keine Pulveraustrittsöffnungen 96 vorhanden und das Materialpulver 22 verbleibt in der Druckmesszelle 68. Hierdurch kann insbesondere der
Temperaturdurchgang beeinflusst werden.
Fig. 1 1 zeigt einen Schnitt im Bereich des Flansches 86. Die Druckmesszelle 68 kann weitere Querstrukturen aufweisen. Zur Reduzierung der Hitzeeinwirkung von der brennraumzugewandten Seite zu der brennraumabgewandten Seite weist im Inneren der Druckmesszelle der Flansch 86 ein Hitzeschild 134 auf. Diese
Strukturen sorgen für eine geringere Wärmeleitung von der
brennraumzugewandten Seite zu der brennraumabgewandten Seite. Hierfür kann beispielsweise eine FEM-Berechnung für die Wärmedurchgangsberechnung erstellt werden. Die Einbringung derartiger Strukturen ist bei der Herstellung einem generativen Herstellverfahren möglich. Im Zentrum der Druckmesszelle 68 ist der Kanal 120 angeordnet.
Weitere Ausgestaltungen der Strukturelemente 136 von Hülse 94 und Stößel 108 sind in den Fig. 12 und 13 ersichtlich. Zur besseren Darstellung ist die
Druckmesszelle 68 im Bereich zwischen dem ersten Ende 70 und dem zweiten Ende 72 geschnitten, wobei die Strukturelemente 136 in Fig. 12 und 13
beispielhaft als Versteifungsrippen 138 dargestellt sind. Weitere Möglichkeiten sind beispielsweise das Vorsehen von Kanälen in der Wandung oder dem
Fertigen von weiteren axialen Entkopplungsgeometrien. So kann die Außenhülle, die mehr mechanisch beansprucht wird, von der inneren Struktur mechanisch entkoppelt werden. Mit derartigen Versteifungsrippen 136 lassen sich
insbesondere Resonanzfrequenzen beeinflussen. So lässt sich eine
Resonanzfrequenz, welche bei der ersten Zeichnung ohne Versteifungsrippen bei ca. 7 Kilohertz liegen würde, in dem Bereich von 20 Kilohertz oder darüber liegen. Analog zu den Beschreibungen bei Fig. 12 weist der Stößel in Fig. 13 weitere Rippen 138 auf.
Der Innenraum der Druckmesszelle 68 sollte dicht sein, um beim Versagen der Trennmembran 92 ein Eindringen des Verbrennungsgases in die Druckmesszelle zu verhindern. Deshalb wird in einer bevorzugten Ausführungsform die wenigstens eine Pulveraustrittsöffnung 96 mit einem Pulveraustrittsöffnungs-Verschlussring 98 verschlossen. Der Pulveraustrittsöffnungs-Verschlussring 98 wird
dichtgeschweisst, beispielsweise mit einem Laserschweißverfahren.
Insbesondere bei Verwendung von Edelstahl eignen sich die Edelstahlsorten mit der Werkstoffnummer 1 .4542 und 1 .4548 zur Verwendung für ein
Drucksensormesselement.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung betrifft die Kombination von wenigstens zwei Sensoren. Dadurch wird ein Kombisensor geschaffen, welcher Druck und
Temperatur misst.
Daher können Druck und Temperatur an der Trennmembran 92 gemessen werden. Es ist auch möglich, Druck und Temperaturdifferenz auszugeben. Hierzu wird eine Temperaturdifferenz zwischen der Membranseite und der Rückseite erfasst. Hierdurch kann ein Sensor erhalten werden, der einen
Temperaturdurchgang beziehungsweise Temperaturleitung erfasst.
Das generativen Fertigungsverfahren bietet insbesondere Vorteile, die im
Folgenden erläutert werden.
Hierbei ist die Materialwahl (insbesondere Inconel 718 - dieses Material hat besondere Vorteile hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit) zu nennen. Der
Hintergrund dabei ist, dass solche Sensoren beispielsweise in Schiffsdiesel eingesetzt werden; darin werden aus Kostengründen Schweröle oder dergleichen verbrannt. Falls bei kalten Motoren Schweröle verbrannt werden, entstehen Rückstände, die besonders problematisch hinsichtlich Korrosionen der
Motorbestandteile sind.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung nimmt Bezug auf die Formgebung eines
Drucksensors. Eine besondere Schwierigkeit dieser Art von Drucksensoren ist die Fertigung von speziellen Verläufen von Kanälen, wie insbesondere eine mittige Bohrung. Eine solche mittige Bohrung ist fertigungstechnisch mit spanabhebenden Verfahren schwieriger herzustellen. Hierfür ist das generative
Formgebungsverfahren prädestiniert.
Eine weitere Möglichkeit ist, Kanäle für Leitungen, wie insbesondere einem
Thermoelement oder dergleichen herzustellen.
Eine weitere Möglichkeit ist, zum Beispiel in der Wandung Kanäle oder axiale Entkopplungsgeometrien zu fertigen. So kann die Außenhülle, die mehr
mechanisch beansprucht wird, von der inneren Struktur mechanisch entkoppelt werden.
Es lassen sich weitere Strukturen anbringen. Ein Beispiel sind Versteifungsrippen. Diese sind in den bereits erläuterten Figuren als Beispiel dargestellt. Mit derartigen Versteifungsrippen lassen sich insbesondere Resonanzfrequenzen beeinflussen. So lässt sich eine Resonanzfrequenz, welche bei der ersten Zeichnung ohne Versteifungsrippen bei ca. 7 Kilohertz liegen würde, in dem Bereich von 20
Kilohertz oder darüber liegen.
Weiter lassen sich Elemente an der Trennmembran 92 zur Überwachung der Membranstruktur oder der Funktion der Trennmembran 92 anbringen. Ein Beispiel ist die Anbringung eines Widerstandes an der Innenseite der Trennmembran 92. Damit lassen sich Risse in der Trennmembran 92 überwachen. Entsteht ein Riss an der Trennmembran 92, ändert sich der elektrische Widerstand.
Bei der Fertigung wird dann so vorgegangen, dass dann, wenn die entsprechende Schicht aufzubauen wäre, ein anderes Pulvermaterial angebracht würde, um das Material für den Widerstand bereitzustellen.
Ein weiteres Beispiel wäre die Anordnung von Querstrukturen, wie zum Beispiel das Hitzeschild 134. Man kann hier eine FEM-Berechnung für den
Wärmedurchgang erstellen. Die Membran ist beispielsweise in einem Brennraum eines Motors angeordnet; hier gilt es, die Temperatur von der Elektronik
fernzuhalten. Mit der generativen Fertigungstechnik kann man entsprechend Strukturen einbringen, die für eine geringere Wärmeleitung von der heißen Seite auf die kalte Seite sorgen.
Bei der zweiten Ausführungsform mit Pulverentleerungsöffnungen hat sich herausgestellt, dass die Pulverentleerungslöcher 96 einen genügend großen Durchmesser haben sollten, damit das Pulver vollständig entfernt werden kann. Diese lassen sich dann durch ein Verschlusselement - beispielsweise der Pulveraustrittsöffnung-Verschlussring 98 - verschließen.
Eine weitere, alternative Ausführung beinhaltet, dass das Pulvermaterial 21 in dem Sensor verbleibt.
Mögliche Anwendungsfälle sind hauptsächlich geplant für
Hochtemperaturanwendungen wie Brennraumüberwachung jedoch auch für Spritzgussmaschinen sowie die Überwachung von Turbinen wie zum Beispiel eine Heißdampfturbine, wobei hier der Druck beispielsweise innerhalb der Turbine gemessen wird. Ebenso sind Messungen an korrosiven Medien denkbar, wie diese beispielsweise in der Prozesstechnik in der Chemie vorkommen.
Im Folgenden wird näher auf die Oberflächennachbearbeitung eingegangen. Die Oberflächen sind bei generativen Fertigungsverfahren recht rau. An den Stellen, wo eine hohe Oberflächengüte oder eine hohe Planheit erwünscht ist, werden Nachbearbeitungsschritte vorgesehen. Derzeit ist dies angedacht für die
Trennmembran 92 und auf diejenigen Stellen, wo Kraftelemente aufgeschweißt werden müssen.
An der Trennmembran 92 können auch andere Nachbearbeitungsschritte durchgeführt werden. Die Membrandicke der Trennmembran 92 sollte eingehalten werden.
Beispielsweise kann, wenn eine Nachbearbeitung an der Trennmembran 92 geplant ist, auch eine Strukturierung der Trennmembran 92 durchgeführt werden. Ein Beispiel ist, dass von außen zur Mitte hin ein leichter Winkel zurückversetzt zum Kraftelement hin in die Membran eingebracht werden kann, um die
Membraneigenschaften zu verbessern.
Für weitere Einzelheiten zum Aufbau, zur vorteilhaften Verwendung und zum Betrieb des Drucksensormesselements sowie eines damit versehenen
Drucksensors wird ausdrücklich auf die WO2010/149501 A1 verwiesen, welche durch Bezugnahme hierin inkorporiert wird. Weitere Einzelheiten von vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch Kombination von hier beschriebenen Maßnahmen, Schritten, Merkmalen und Technologien mit der Offenbarung der WO 2010/149501 A1 .
Um Druckmesssensorelemente kostengünstig herstellen zu können, schafft die Erfindung gemäß einem Aspekt davon ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensormesselements für einen Drucksensor, welches wenigstens eine Membran und eine die Membran stützende Hülse aufweist, wobei das
Drucksensormesselement in einem schichtweisen generativen
Fertigungsverfahren hergestellt wird. Damit lässt sich z.B. ein Kombisensor zur Erfassung von Druck und einem weiteren Parameter einfach aufbauen. Außerdem können Strukturen zur Versteifung oder Resonanzfrequenzbeeinflussung oder zur Wärmeleitungsbeeinflussung eingebracht werden.
Bezugszeichenliste:
10 Fertigungsvorrichtung
12 Prozessraum
14 Materialbereitstelleinrichtung
16 Befüllvorrichtung
18 Pulvervorrat
20 Pulverauftragseinrichtung
21 Pulvermaterial
22 Metallpulver
24 Pulverbett
26 Pulverbettboden
28 obere Position des Pulverbettbodens
30 Schichtverteilschieber
32 Schicht
34 Werkstück
36 Strahlerzeugungseinrichtung
38 Strahlerzeugungseinheit
40 Lichtfaser
42 Bearbeitungsstrahlung
44 Linse
46 Strahlbeeinflussungseinrichtung
48 Fokussierbewegung
50 Schutzvorrichtung
52 Schutzscheibe
54 Strahlungsauftreffpunkt
56 Steuerungsanlage
58 Datenverarbeitungsanlage
60 Steuerungsleitung
62 Strahlerzeugungseinheit- Verfahreinrichtung
64 Strahlerzeugungseinheit-Verfahrbewegung
66 Drucksensormesselement
68 Druckmesszelle
70 erstes Ende
72 zweites Ende 74 Messraum
76 Brennraum
78 Brennraumtemperatur TB
82 Temperaturdifferenz ΔΤ
84 Druck
86 Flansch
88 Kraftmesselement
90 Biegebalken
92 Trennmembran (brennraumzugewandt)
94 Hülse
96 Pulveraustrittsöffnung
98 Pulveraustrittsöffnung-Verschlussring
100 Verschlussring-Schweißnaht
102 Verschlussringabsatz
104 Hohlraum
106 Innenwandung der Hülse
108 Stößel
1 10 Außenwandung des Stößels
1 12 Membran (brennraumabgewandt)
1 14 Membran-Stößel-Einheit
1 16 Trennmembran-Stößel-Übergangsbereich
1 18 Ringmembranbereich
120 Kanal
122 Sensorelement
124 Signalleitung
126 Anschlussleitung
128 Leitungsdurchgangsöffnung
130 Sensorspitze
132 Öffnung für Sensor
134 Hitzeschild
136 Strukturelement
138 Rippe

Claims

Ansprüche:
1 . Verfahren zur Herstellung eines Drucksensormesselements (66) für einen Drucksensor, welches wenigstens eine Membran (92) und eine die Membran (92) stützende Hülse (94) aufweist, wobei das Drucksensormesselement (66) in einem schichtweisen generativen Fertigungsverfahren hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das generative Fertigungsverfahren ein Metallpulverschichtverfahren ist, bei dem Metallpulver (22) schichtweise aufgetragen und mit einem Laser- oder Elektronenstrahl selektiv verformt wird, der computergesteuert selektiv über eine Pulverschicht (32) verfahren wird, um ausgewählte Bereiche zu verfestigen.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein derartiges Metallpulver (22) verwendet wird und die Verfestigung derart erfolgt, dass das Drucksensormesselement (66) aus einem Stahlmaterial, einem Edelstahlmaterial und/oder aus einer NiCrNbMo-Legierung hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit dem generativen Fertigungsverfahren einstückig eine Trennmembran (92), ein Stößel (108) zum Übertragen von Auslenkungen der Trennmembran (92) auf ein Kraftmesselement (88) und eine den Stößel (108) aufnehmende Hülse (94) sowie eine die Hülse (94) auf der der Trennmembran (92) entgegengesetzten Seite abschließende weitere Membran (1 12) gefertigt wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass mit dem generativen Fertigungsverfahren gefertigt wird:
a) wenigstens ein Kanal (120) oder eine Entkopplungsstruktur zur
Entkopplung der Membran (92) oder der Hülse (94) von inneren Strukturen des Drucksensormesselements (66); und/oder
b) ein durch das Drucksensormesselement (66) hindurchführenden Kanal (120) für wenigstens eine Anschlussleitung (126) oder Signalleitung (124) und/oder
c) eine durch das Drucksensormesselement (66) führende Signalleitung (124) oder Anschlussleitung (126) und/oder
d) wenigstens eine Versteifungsstruktur zur Beeinflussung einer
Biegecharakteristik und/oder einer Resonanzfrequenz und/oder
e) wenigstens ein Teil eines elektronischen Bauelements, wie insbesondere eines elektrischen Widerstands
f) wenigstens eine Querstruktur
g) wenigstens ein Hitzeschild (134).
6. Verfahren nach Anspruch 5,
gekennzeichnet durch
Anbringen wenigstens eines Sensorelements (122) zur Messung eines weiteren Parameters im Bereich der Membran (92) und/oder der Hülse (94) und
Kontaktieren des Sensorelements (122) mittels der Signalleitung (124) oder Anschlussleitung (126).
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das wenigstens eine Sensorelement (122) ausgewählt wird aus einem Temperatursensorelement zur Messung einer Temperatur (78), einem
Temperaturdifferenzmesselement zum Erfassen einer Temperaturdifferenz (82) zwischen der Membran (92) und einem der Membran abgewandten Bereich der Hülse (94), einem Membranstrukturüberwachungselement zur Überwachung der Membranstruktur und einem Widerstandselement zum Erfassen eines elektrischen Widerstands zumindest eines Bereichs der Membran (92).
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch Oberflächennachbearbeiten zumindest an der Membran (92).
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch die Schritte 9.1 .1 und 9.1 .2:
9.1 .1 Einbringen wenigstens einer Pulveraustrittsöffnung (96) zum Entfernen von Pulvermaterial (21 ) aus einem Hohlraum (104) der mit dem generativen
Fertigungsverfahren gefertigten Struktur und
9.1 .2 Entfernen des Pulvers (21 ) durch die wenigstens eine
Pulveraustrittsöffnung (96),
oder durch die Schritte 9.1 .1 und 9.1 .2 sowie den Schritt 9.1 .3:
9.1 .3 Verschließen der wenigstens einen Pulveraustrittsöffnung (96)
oder durch den Schritt:
9.2 Beibehalten von Pulvermaterial (21 ) in einem Hohlraum (104) der mit dem generativen Fertigungsverfahren gefertigten Struktur.
10. Drucksensormesselement, erhältlich mit einem Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend:
wenigstens eine Membran (92) und eine Hülse (94) zum Stützen der Membran (92) sowie wenigstens ein Sensorelement (122) zur Messung eines weiteren Parameters im Bereich der Membran (92).
1 1 . Drucksensormesselement nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das wenigstens eine Sensorelement (122) ausgewählt ist aus einem
Temperatursensorelement zur Messung einer Temperatur, einem
Temperaturdifferenzmesselement zum Erfassen einer Temperaturdifferenz (82) zwischen der Membran (92) und einem der Membran (92) abgewandten Bereich der Hülse (94), einem Membranstrukturüberwachungselement zur Überwachung der Membranstruktur und einem Widerstandselement zum Erfassen eines elektrischen Widerstands zumindest eines Bereichs der Membran (92).
12. Drucksensormesselement nach einem der voranstehenden Ansprüche für einen Drucksensor zur Druckerfassung in einem Brennraum (76) einer
Verbrennungskraftmaschine während deren Betrieb, wobei die Membran eine Trennmembran (92) ist, wobei ein Stößel (108) zum Übertragen von
Auslenkungen der Trennmembran (92) auf ein Kraftmesselement (88) vorgesehen ist, wobei die Hülse (94) den Stößel (108) aufnimmt und ein einem dem
Brennraum (76) zuzuwendenden ersten Ende (70) durch die Trennmembran (92) verschlossen ist und an dem entgegengesetzten zweiten Ende (72) zum Halten des Kraftmesselements (88) ausgebildet ist, wobei der Stößel (108), die Membran (92) und die Hülse (94) einstückig ausgebildet sind.
13. Drucksensormesselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine mehrere oder alle der folgenden
Strukturen:
a) wenigstens eine Versteifungsstruktur zur Versteifung gegen Verformungen oder zur Beeinflussung von Resonanzfrequenzen
b) wenigstens einer Rippe (138) oder einem Vorsprung oder einem Ring und/oder
c) Querstrukturen in Form von Hitzeschildern (134) und/oder
d) wenigstens einem Kanal (120) zur Durchführung wenigstens einer Leitung (124, 126) oder zur Entkopplung einer inneren Struktur und einer äußeren
Struktur,
e) wenigstens einem Hohlraum (104) zwischen einer inneren und einer äußeren Struktur, und/oder
f) wenigstens einem Sensorelement (122) zur Überwachung der Funktion oder der Struktur der Membran (92).
14. Drucksensormesselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, gefertigt aus Stahl, Edelstahl oder aus einer NiCrNbMo-Legierung.
15. Drucksensor, insbesondere Kombinationssensor zur Erfassung sowohl von Druck (84) als auch einer Temperatur (78), umfassend ein
Drucksensormesselement (66) nach einem der voranstehenden Ansprüche.
PCT/EP2017/081912 2016-12-14 2017-12-07 Verfahren zum herstellen eines drucksensormesselements sowie damit erhältliches drucksensormesselement WO2018108710A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201780085303.XA CN110476046B (zh) 2016-12-14 2017-12-07 制造压力传感器测量元件的方法和由此获得的压力传感器测量元件
EP17825405.8A EP3555584A1 (de) 2016-12-14 2017-12-07 Verfahren zum herstellen eines drucksensormesselements sowie damit erhältliches drucksensormesselement
US16/469,914 US11137320B2 (en) 2016-12-14 2017-12-07 Method for producing a pressure sensor measuring element and thus obtained pressure sensor measuring element

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016124410.4 2016-12-14
DE102016124410.4A DE102016124410A1 (de) 2016-12-14 2016-12-14 Verfahren zum Herstellen eines Drucksensormesselements sowie damit erhältliches Drucksensormesselement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018108710A1 true WO2018108710A1 (de) 2018-06-21

Family

ID=60935779

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2017/081912 WO2018108710A1 (de) 2016-12-14 2017-12-07 Verfahren zum herstellen eines drucksensormesselements sowie damit erhältliches drucksensormesselement

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11137320B2 (de)
EP (1) EP3555584A1 (de)
CN (1) CN110476046B (de)
DE (1) DE102016124410A1 (de)
WO (1) WO2018108710A1 (de)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016225652A1 (de) * 2016-12-20 2018-06-21 Piezocryst Advanced Sensorics Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Sensorgehäuses für einen Kraft- oder Drucksensor sowie Sensorgehäuse, Kraft- oder Drucksensor und Verwendung einer additiven Fertigungsvorrichtung
EP3671161A1 (de) * 2018-12-21 2020-06-24 Exentis Knowledge GmbH Formkörper sowie verfahren zur herstellung eines formkörpers
EP3671160A1 (de) * 2018-12-21 2020-06-24 Exentis Knowledge GmbH Formkörper sowie verfahren zur herstellung eines formkörpers
DE102020117587A1 (de) 2020-07-03 2022-01-05 IMES Intelligent Measuring Systems GmbH Druckaufnehmer

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005060652A1 (de) * 2005-12-19 2007-06-21 Robert Bosch Gmbh Kombiniertes Druck-Temperaturmessmodul
WO2010149501A1 (de) 2009-06-26 2010-12-29 Trafag Ag Drucksensormesselement sowie damit versehener drucksensor zur druckerfassung in einem brennraum einer verbrennungskraftmaschine
CN104907568A (zh) * 2015-06-25 2015-09-16 武汉大学 基于飞秒激光复合技术的压阻式厚膜压力传感器制备方法
US20160103031A1 (en) * 2014-10-13 2016-04-14 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Ceramic Pressure Sensor and Method for its Production
US20160109316A1 (en) * 2014-10-17 2016-04-21 National Kaohsiung University Of Applied Sciences Pressure detecting apparatus made by 3d printing technologies being able to be used in dangerous areas

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006043324A1 (de) * 2006-09-15 2008-03-27 Robert Bosch Gmbh Steckfühler zur kombinierten Druck- und Temperaturmessung
EP2941638A4 (de) * 2013-01-02 2016-08-24 Univ Nanyang Tech Sensor, herstellungsverfahren dafür und verfahren zur steuerung davon
WO2014199150A1 (en) * 2013-06-11 2014-12-18 Renishaw Plc Additive manufacturing apparatus and method
US9176016B2 (en) * 2013-07-23 2015-11-03 Lamplight Games System and method for 3D printer material management
DE102013115007B4 (de) * 2013-12-31 2016-07-14 Trafag Ag Dichtewächter mit Getriebeelement und Verfahren zur Überwachung einer Gasdichte
IL246980B (en) * 2014-02-01 2022-09-01 Ezmems Ltd Chip device for monitoring and regulating liquid flow and methods for its manufacture
DE102014202020B4 (de) * 2014-02-05 2016-06-09 MTU Aero Engines AG Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenspannungen eines Bauteils
CN104236764B (zh) * 2014-09-29 2016-05-11 合肥工业大学 一种电容式触滑觉传感器装置
US20160202101A1 (en) * 2015-01-12 2016-07-14 Douglas Ray Sparks Sensor structures and methods of forming using three-dimensional printing techniques
CN204422135U (zh) * 2015-02-06 2015-06-24 东西方(宁海)航空科技发展有限公司 一体式缓冲活门
GB201510220D0 (en) * 2015-06-11 2015-07-29 Renishaw Plc Additive manufacturing apparatus and method
CN104960202B (zh) * 2015-06-29 2017-05-10 华中科技大学 一种3d打印装置和方法
CN105252000B (zh) * 2015-10-08 2017-09-19 湖南顶立科技有限公司 一种超高压惰性气体保护下金属粉末增材制造方法
CN105172152B (zh) * 2015-10-28 2017-06-20 深圳晗竣雅科技有限公司 基于轮廓注塑成型的3d成型方法
CN105300574B (zh) * 2015-11-13 2018-04-17 常州二维碳素科技股份有限公司 石墨烯压力传感器及其制备方法和用途
CN105784208B (zh) * 2016-04-25 2018-06-05 西安电子科技大学 一种3d打印一次性两级压力传感器
CN106153243B (zh) * 2016-06-29 2019-03-29 中北大学 Mems湍流传感器的封装方法
DE102016225652A1 (de) * 2016-12-20 2018-06-21 Piezocryst Advanced Sensorics Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Sensorgehäuses für einen Kraft- oder Drucksensor sowie Sensorgehäuse, Kraft- oder Drucksensor und Verwendung einer additiven Fertigungsvorrichtung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005060652A1 (de) * 2005-12-19 2007-06-21 Robert Bosch Gmbh Kombiniertes Druck-Temperaturmessmodul
WO2010149501A1 (de) 2009-06-26 2010-12-29 Trafag Ag Drucksensormesselement sowie damit versehener drucksensor zur druckerfassung in einem brennraum einer verbrennungskraftmaschine
US20160103031A1 (en) * 2014-10-13 2016-04-14 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Ceramic Pressure Sensor and Method for its Production
US20160109316A1 (en) * 2014-10-17 2016-04-21 National Kaohsiung University Of Applied Sciences Pressure detecting apparatus made by 3d printing technologies being able to be used in dangerous areas
CN104907568A (zh) * 2015-06-25 2015-09-16 武汉大学 基于飞秒激光复合技术的压阻式厚膜压力传感器制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FALLER LISA-MARIE ET AL: "Robust design of a 3D- and inkjet-printed capacitive force/pressure sensor", 2016 17TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON THERMAL, MECHANICAL AND MULTI-PHYSICS SIMULATION AND EXPERIMENTS IN MICROELECTRONICS AND MICROSYSTEMS (EUROSIME), IEEE, 18 April 2016 (2016-04-18), pages 1 - 7, XP032897735, DOI: 10.1109/EUROSIME.2016.7463303 *
LUCKLUM FRIEDER ET AL: "3D printed pressure sensor with screen-printed resistive read-out", 2016 IEEE SENSORS, IEEE, 30 October 2016 (2016-10-30), pages 1 - 3, XP033036917, DOI: 10.1109/ICSENS.2016.7808633 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110476046B (zh) 2021-07-02
CN110476046A (zh) 2019-11-19
US11137320B2 (en) 2021-10-05
US20190360894A1 (en) 2019-11-28
DE102016124410A1 (de) 2018-06-14
EP3555584A1 (de) 2019-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018108710A1 (de) Verfahren zum herstellen eines drucksensormesselements sowie damit erhältliches drucksensormesselement
EP1898195B1 (de) Temperatursensor mit bearbeitbarer Front
EP2712692B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils
DE102014108061A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur generativen Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils
DE102012206122A1 (de) Mehrfach-Spulenanordnung für eine Vorrichtung zur generativen Herstellung von Bauteilen und entsprechendes Herstellverfahren
DE102014214939A1 (de) Kamerabasierte Rauheitsbestimmung für generativ hergestellte Bauteile
EP3621758A1 (de) Verfahren für ein additiv herzustellendes bauteil mit vorbestimmter oberflächenstruktur
WO2007101423A1 (de) Gasturbinenbauteil sowie verfahren zur bearbeitung von gasturbinenbauteilen im rahmen der herstellung oder instandsetzung dieser gasturbinenbauteile
EP3512661B1 (de) Verfahren zur positionsbestimmung einer bauplattform für die additive herstellung mit kennzeichnung der bauplattform durch referenzpunkte
DE102014212382A1 (de) Verfahren zur Fertigung eines Bauteils mit einem Wegmesssystem
DE102011080225A1 (de) Verfahren und Behandlungselement-Rohling zur Herstellung eines Behandlungselements für eine Schneckenmaschine
DE102016212314A1 (de) Brennkammer und Verfahren zur Herstellung einer Brennkammer
DE102016222555A1 (de) Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils und computerlesbares Medium
DE102014100345B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Schubkammervorrichtung, Schubkammervorrichtung und Raketentriebwerk
DE102006031665A1 (de) Modellelement
EP2853875B1 (de) Werkstück, umfassend eine Vorrichtung zur Früherkennung von Rissbildungen in dem Werkstück
EP3554799B1 (de) Kunststoffformteil für eine formteilanordnung, entsprechende formteilanordnung sowie verfahren zum herstellen einer formteilanordnung
EP3453933B1 (de) Ventilkörperelement mit eingebetteten sensoren
DE102013008135A1 (de) Herstellung von CNC-gestützten Wickelbauteilen
DE102011078048A1 (de) Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums
DE102016211788A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines druckfesten Behälters
DE102011115847A1 (de) Kühlkanalkolben und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102021119829A1 (de) Heißkanaldüse
DE102013001210A1 (de) Verfahren zum Verschweißen von zwei Metallbauteilen
DE102019209020A1 (de) Stützstruktur, Computerprogrammprodukt und Verfahren zum Entfernen der Stützstruktur

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17825405

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017825405

Country of ref document: EP

Effective date: 20190715