WO2022122886A1 - Component and method for the production thereof - Google Patents

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WO2022122886A1
WO2022122886A1 PCT/EP2021/084934 EP2021084934W WO2022122886A1 WO 2022122886 A1 WO2022122886 A1 WO 2022122886A1 EP 2021084934 W EP2021084934 W EP 2021084934W WO 2022122886 A1 WO2022122886 A1 WO 2022122886A1
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base body
sensor layer
electrical line
component
layer
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PCT/EP2021/084934
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Inventor
Tim Abraham
Peter-Jochen Brand
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • 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
    • G—PHYSICS
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    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
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    • G01L5/0009—Force sensors associated with a bearing
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a component with a base body and a sensor layer which at least partially covers the base body.
  • the invention also relates to a method for producing such a component.
  • DE 199 54 164 A1 discloses a sensor for measuring current loads which act on the surface of a mechanical component.
  • a piezoresistive, amorphous carbon layer is used as a sensor, which is connected to a device for detecting the electrical resistance via associated conductor tracks.
  • the deposition of long conductor tracks places high demands on the process technology and the layer quality.
  • the production of the known components is therefore complicated and expensive due to a high reject rate.
  • conductor tracks on the component surface are exposed to mechanical loads or corrosive attacks, so that the operational reliability of the known components suffers.
  • the invention is therefore based on the object of reliably producing components of the type mentioned at the outset and of increasing the operational reliability of such components.
  • a component with a base body and a sensor layer is proposed.
  • the component can be, for example, a mechanical engineering component, such as a bearing shell or a bearing ring, a gear wheel or part of a gear wheel, a turbine wheel, a turbine blade, a camshaft, a slip ring seal or another component not explicitly mentioned here.
  • the component can be a tool or a part of a tool, for example an indexable insert, a milling cutter, a pressing tool or a mold.
  • the component has at least one base body.
  • the base body can be made of a metal or an alloy, a plastic or a ceramic. In some embodiments of the invention, the base body can be made from different materials and can have a layered structure, for example.
  • the base body has at least one active surface or an effective zone which can be exposed to force or temperature during operation. Accordingly, the active surface can be, for example, the cutting edge of a tool, the raceway of a bearing, the sealing surface of a slip ring seal or another surface of the base body that is exposed to thermal and/or mechanical and/or corrosive stress.
  • At least part of the base body or at least part of the active surface is provided with at least one sensor layer.
  • the sensor layer can be set up to detect a temperature and/or a mechanical load and/or a deformation and/or a pH value.
  • the sensor layer can be piezoresistive and/or thermoresistive.
  • the component contains at least one electrical
  • Lead having a first end and an opposite end second end .
  • the first end of the line is in contact with the sensor layer at least at one point, so that the electrical resistance of the sensor layer can be measured.
  • the opposite, second end of the electrical line is designed to be connected directly or indirectly to a current or voltage source or a measuring device. In the case of an indirect connection, the second end of the electrical line can be connected to a plug connector, a slip ring or an active or passive component.
  • the electrical line in the base body, so that the first end protrudes at least partially on the active surface of the base body, so that when the base body is coated with the sensor layer, there is electrical contact between the first end of the electrical line and the sensor layer is produced .
  • the second end of the electrical line leaves the base body at a predeterminable point, which is provided for connecting a current or voltage source or a measuring device.
  • the electrical line is arranged in a protected manner within the component. Mechanical or corrosive damage to the electrical line during operation of the component is thus ruled out or at least reduced.
  • the cross-section of the electrical line can be increased compared to a structured thin film, so that the electrical resistance or electrical losses of the line can be reduced.
  • an electrical line with a larger cross-section can be produced more reliably, so that fewer rejects are produced during the production of the component.
  • the base body can contain or consist of at least one polymer.
  • a polymer can be processed with or without introduced fiber reinforcement in a generative manufacturing process in a manner known per se be, for example, by applying the liquefied polymer in layers using a nozzle or by melting a powder through local heat, for example through laser radiation.
  • additive manufacturing process and 3D printing process or 3D printing used interchangeably.
  • the base body can contain or consist of at least one metal or at least one alloy.
  • a base body can currently replace known components, which are produced, for example, by machining or as a cast part, almost identically, since identical or similar mechanical and thermal properties are obtained due to the identical or similar material.
  • a metallic material can also be processed in an additive manufacturing process in a manner known per se, for example by melting a powder through local heat exposure, for example through laser radiation.
  • the base body can contain or consist of at least one ceramic.
  • a green compact can be produced by means of 3D printing from ceramic particles with a complete or partial coating made of a polymer by heating and melting the polymer. This green body produced in this way can then be post-processed by sintering to form the finished component.
  • a base body made of a polymer or a ceramic can be an electrical insulator with a specific resistance of more than 10 6 ⁇ cm or more than 10 7 ⁇ cm or more than 10 8 ⁇ cm or contain such a material so that several electrical conductors can also be embedded in the base body without unwanted short circuits occurring.
  • the sensor layer may contain or consist of chromium. Such a sensor layer can be thermoresistive and used for temperature detection in the active zone or be used on the active surface.
  • the sensor layer can contain or consist of Diamond-Like Carbon (DLC).
  • DLC Diamond-Like Carbon
  • a DLC layer can be both piezoresistive and thermoresistive and in this way mechanical stress or Record deformation and temperature equally .
  • DLC is understood to mean a predominantly sp 3 -hybridized carbon modification according to VDI 2840.
  • the DLC layer is amorphous.
  • the DLC layer can also contain hydrogen or at least one metal in order to adjust the electrical resistance to predeterminable target values or to adapt the mechanical hardness to desired properties and/or to increase the adhesive strength on the component.
  • the sensor layer can be applied by means of a PVD process.
  • the sensor layer in particular in the form of a DLC layer, can be applied by means of a CVD process.
  • the sensor layer can be produced by thermal spraying, by an atmospheric pressure method, a coating without external current and/or a galvanic coating. Case by case between the body or Optional additional layers can be introduced into the active surface and the sensor layer, which, for example, enable electrical insulation of the sensor layer from the base body or which increase the adhesive strength of the sensor layer.
  • a cover layer can be arranged on the sensor layer, which prevents or reduces a corrosive attack on the sensor layer.
  • the cover layer in the case of a tribologically loaded component, can reduce the friction of the sensor layer or reduce the effective surface compared to a friction partner.
  • the top layer may prevent excessive or premature wear of the sensor layer.
  • the electrical line can contain or consist of at least one metal or at least one alloy. In other embodiments of the invention, the electrical line can contain or consist of conductive particles in at least one matrix material.
  • a polymer can be filled with conductive particles.
  • a ceramic can be filled or coated with conductive particles.
  • three-dimensional conductor tracks can also be embedded in complex geometric shapes in an insulating base body, so that on the one hand a sensor layer can also be contacted on active surfaces that are difficult to access and on the other hand the electrical line can be protected by embedding and made mechanically robust.
  • the electrical line can be provided in the form of a wire or a metal layer and embedded when the base body is produced in the additive manufacturing process.
  • an electrical line for example, unwound as a wire and the body immediately before overmolding or Embedding to be supplied with the material of the base body.
  • an electrical line can be cut to length, given a complex shape and provided using the 3D printing method, so that it can be embedded in the base body free of stress.
  • the electrical line can be encased at least in sections with an insulator before it is embedded in the base body. This avoids short circuits via the base body.
  • the at least first end of the electrical line can be designed as a contact surface.
  • the contact surface can have a larger cross section than the cross section of the electrical line, so that the sensor layer can be contacted over a larger surface. As a result, electrical transition resistances between the electrical line and the sensor layer can be reduced.
  • the electrical line can have a thickness and/or a width of between approximately 3 ⁇ m and approximately 1 mm. In other embodiments of the invention, the electrical line can have a thickness and/or a width of between approximately 10 ⁇ m and approximately 200 ⁇ m. In yet other embodiments, the electrical line can have a thickness and/or a width of between approximately 20 ⁇ m and approximately 100 ⁇ m. This allows electrical lines to be introduced into small base bodies or electrical lines narrow or narrow. to lead to each other at a small distance, so that the sensor layer can be read with several lines with a large spatial resolution. In some embodiments of the invention, the sensor layer can have a thickness between about 1 ⁇ m and about 100 ⁇ m.
  • the sensor layer can have a thickness between about 5 ⁇ m and about 70 ⁇ m. In yet other embodiments of the invention, the sensor layer can have a thickness of between approximately 10 ⁇ m and approximately 50 ⁇ m.
  • Such sensor layers can affect the dimensional accuracy and/or the deformability of the component only to a small extent, so that known components without a sensor layer can be replaced by the components according to the invention without further adjustment of the design.
  • Figure a first embodiment of a component according to the invention in the view.
  • FIG. 2 shows the first embodiment of the component according to the invention in section.
  • FIG. 3 shows a view of a second embodiment of a component according to the invention.
  • FIG. 4 shows the second embodiment of the component according to the invention in section.
  • FIGS. 1 and 2 A first embodiment of the present invention is explained in more detail with reference to FIGS. Shown is a component 1, which can be, for example, part of a bearing, a slip ring seal, a cutting tool, or another mechanically loaded component. Accordingly, the cuboid geometry shown in FIGS. 1 and 2 is only to be provided as an example. In other embodiments of the invention, the component of course a different shape on iron that corresponds to its purpose .
  • FIG. 1 shows a partially sectioned spatial representation of the component 1 .
  • Immediately superimposed or Components of the invention that are in contact with one another are exploded in FIG. 1 in the manner of an exploded view.
  • FIG. 2 shows a section.
  • the component 1 contains a base body 10 which, for example, can be made of a metal, an alloy, at least one polymer or a ceramic.
  • the base body 10 can process or by means of an additive manufacturing. be produced using 3D printing. As shown in the figures, the base body 10 can be produced homogeneously from a single material. In other embodiments of the invention, the base body 10 can be composed of individual layers of different materials in order in this way to increase the wear resistance and/or the mechanical load-bearing capacity or to adapt it to specified tasks.
  • the base body 10 can be produced in an additive manufacturing process in the desired geometry, for example by partially melting a metal powder, by applying a polymer in strands or by sintering a ceramic powder.
  • the base body 10 has an effective surface 11 which is exposed to a temperature and/or a force when the component 1 is in operation.
  • the active surface 11 can be the raceway of a bearing, the sealing surface of a slip ring seal or the contact surface of a tool.
  • At least one electrical line 3 is arranged in the base body 10 .
  • two electrical lines 3 are shown schematically. In other embodiments of the invention, the number of electrical lines can be greater or less. The invention does not teach the use of exactly two electrical lines 3 as a solution principle.
  • Each electrical line 3 has a first end 31 and an opposite second end 32 .
  • the first end 31 ends in a contact surface 35 which has a larger cross section than the electrical line 3 .
  • the electrical line 3 can be surrounded by an insulating layer 4 .
  • the insulating layer 4 can also be omitted, particularly if the base body 10 itself is electrically insulating.
  • the second end 32 of the electrical line 3 is intended to be connected to a measuring device and/or an electrical current source and/or an electrical voltage source, so that the electrical resistance of the sensor layer 2 can be detected.
  • the insulation layer 5 can contain or consist of an oxide or a nitrite or an oxynitrite or a polymer, for example.
  • the insulation layer 5 can itself have a multilayer structure made up of individual layers.
  • the insulating layer 5 can be produced at least on the active surface 11 of the base body 10 by means of a CVD process.
  • the insulation layer 5 can have openings 55 through which the contact surfaces 35 can be guided to the sensor layer 2 .
  • the insulating layer 5 can also be omitted, particularly if the base body itself is made of an electrically insulating material.
  • the sensor layer 2 is located on the insulation layer 5 .
  • the sensor layer 2 can be thermoresistive and/or piezoresistive.
  • the sensor layer 2 can contain chromium or diamond-like carbon (DLG), for example.
  • the sensor layer 2 is structured, d. H . after full-surface deposition by means of an atmospheric pressure method, a CVD method, a PVD method, electroless deposition and/or galvanic deposition, the sensor layer 2 can be structured by masking and etching in such a way that it has a first contact surface 21, a second contact surface 22 and at least one conductor connecting the contact surfaces to one another.
  • the conductor can be flat or, as shown in FIG. 1, run in the form of several meanders on the surface of the insulating layer 5 .
  • the first and second contact surfaces 21 and 22 are connected to the contact surface 35 of the electrical conductor 3 . If the temperature of the component 1 changes, the meandering sensor layer 2 is deformed.
  • the deformation of the base body 10 also leads to the deformation of the meandering sensor layer 2 .
  • This deformation causes a change in the electrical resistance, which can be detected using a measuring device connected to the electrical lines 3 .
  • An optional cover layer 6 can be arranged on the sensor layer 2 .
  • the cover layer 6 can be designed as a wear protection layer, as a sliding layer or as an anti-corrosion layer and in this way can protect the sensor layer 2 from damage and/or improve the tribological properties of the component 1 .
  • a second exemplary embodiment of the present invention is explained in more detail with reference to FIGS. Identical components of the invention are provided with the same reference symbols, so that the following description is limited to the essential differences.
  • the component 1 according to the second embodiment also has a base body 10 as described above.
  • Two electrical conductors 3 a , 3 b are shown in the base body 10 , each of which has a first end 31 and a second end 32 .
  • Each conductor has a contact surface 35a and 35a at the first end 31, respectively. 35b on .
  • the contact surface 35a is elongate and the contact surface 35b has a round base.
  • the electrical conductors 3 can be embedded without an additional insulating layer 4 .
  • the base body 10 and the embedded electrical conductors 3 can be produced in a multi-nozzle printing process in which polymer-coated ceramic particles are heated and applied in layers in order to produce the base body 10 as a green body. A ceramic body can be produced from this by subsequent sintering.
  • the electrical conductors 3 contain a ceramic that is filled with electrically conductive particles, so that they are in direct contact with one another after sintering and conduct the electric current.
  • the remaining volume of the base body 10 is made with ceramic particles which do not contain any electrically conductive filler and thus result in an insulating ceramic.
  • the active surface 11 is also electrically insulating.
  • the sensor layer 2 can therefore be produced or coated directly on the active surface 11 . be deposited.
  • the sensor layer 2 is made of piezoresistive material, so that when a mechanical force or a deformation undergoes a change in electrical resistance. Further structuring is therefore not necessary.
  • the sensor layer 2 can be arranged as a full-surface coating on the active surface 11 .
  • the sensor layer 2 has an opening 25 through which the contact surface 35a of the conductor 3a is led to the side of the sensor layer 2 remote from the active surface 11 .
  • the counter-electrode 7 can contain a metal or an alloy, for example, and can be applied by methods known per se, such as a PVD method, sputtering, thermal spraying or similar methods.
  • An optional cover layer 6 can in turn be arranged on the counter-electrode 7, as described above. However, it should be pointed out that such a cover layer 6 can also be omitted if it is not required for the operation of the component 1 .

Abstract

The invention relates to a component (1) having a main body (10) and a sensor layer (2) which at least partially covers the main body (10), characterized in that the component (1) further comprises at least one electric line (3) having a first end (31) and an opposite second end (32), which electric line is at least partially embedded into the main body (10) and the first end (31) of which is in contact with the sensor layer (2), wherein the main body is produced in a generative manufacturing method. The invention further relates to a method for producing such a component.

Description

Bauteil und Verfahren zu seiner Herstellung Component and method for its manufacture
Die Erf indung betrif ft ein Bauteil mit einem Grundkörper und einer Sensorschicht , welche den Grundkörper zumindest teilweise bedeckt . Weiterhin betrif ft die Erf indung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils . The invention relates to a component with a base body and a sensor layer which at least partially covers the base body. The invention also relates to a method for producing such a component.
Aus der DE 199 54 164 Al ist ein Sensor zur Messung von aktuellen Belastungen bekannt , welche auf die Oberf läche einer mechanischen Komponente einwirken . Als Sensor wird eine piezoresistive , amorphe Kohlenstof f schicht eingesetzt , welche über zugeordnete Leiterbahnen mit einer Einrichtung zur Erfassung des elektrischen Widerstandes verbunden ist . Die Abscheidung langer Leiterbahnen stellt j edoch hohe Anforderungen an die Prozesstechnik und die Schichtqualität . Daher ist die Herstellung der bekannten Bauteile aufgrund einer hohen Ausschussquote aufwändig und teuer . Darüber hinaus sind Leiterbahnen auf der Bauteiloberf läche mechanischen Belastungen oder korrosiven Angrif fen ausgesetzt , so dass die Betriebssicherheit der bekannten Bauteile leidet . DE 199 54 164 A1 discloses a sensor for measuring current loads which act on the surface of a mechanical component. A piezoresistive, amorphous carbon layer is used as a sensor, which is connected to a device for detecting the electrical resistance via associated conductor tracks. However, the deposition of long conductor tracks places high demands on the process technology and the layer quality. The production of the known components is therefore complicated and expensive due to a high reject rate. In addition, conductor tracks on the component surface are exposed to mechanical loads or corrosive attacks, so that the operational reliability of the known components suffers.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erf indung somit die Aufgabe zugrunde , Bauteile der eingangs genannten Art zuverlässig herzustellen und die Betriebssicherheit solcher Bauteile zu erhöhen . Proceeding from the state of the art, the invention is therefore based on the object of reliably producing components of the type mentioned at the outset and of increasing the operational reliability of such components.
Die Aufgabe wird erf indungsgemäß durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen der Erf indung f inden sich in den Unteransprüchen . Erf indungsgemäß wird ein Bauteil mit einem Grundkörper und einer Sensorschicht vorgeschlagen . Das Bauteil kann beispielsweise eine Maschinenbaukomponente sein, wie beispielsweise eine Lagerschale bzw . ein Lagerring , ein Zahnrad oder Teil eines Zahnrades , ein Turbinenrad, eine Turbinenschaufel , eine Nockenwelle , eine Schleifringdichtung oder ein anderes , hier nicht explizit genanntes Bauteil . In anderen Ausführungsformen der Erf indung kann das Bauteil ein Werkzeug oder ein Teil eines Werkzeuges sein, beispielsweise eine Wendeschneidplatte , ein Fräser , ein Presswerkzeug oder eine Gussform . Das Bauteil weist zumindest einen Grundkörper auf . Der Grundkörper kann aus einem Metall oder einer Legierung , einem Kunststof f oder einer Keramik gefertigt sein . In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann der Grundkörper aus verschiedenen Materialien gefertigt sein und beispielsweise einen schichtweisen Aufbau aufweisen . Der Grundkörper weist zumindest eine Wirkf läche bzw . eine Wirkzone auf , welche im Betrieb einer Kraft - oder einer Temperatureinwirkung ausgesetzt sein kann . Dementsprechend kann die Wirkf läche beispielsweise die Schneide eines Werkzeuges , die Laufbahn eines Lagers , die Dichtf läche einer Schleifringdichtung oder eine andere Fläche des Grundkörpers sein, welche einer thermischen und/oder mechanischen und/oder korrosiven Belastung ausgesetzt ist . The object is achieved according to the invention by a component according to claim 1 and a method according to claim 9 . Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims. According to the invention, a component with a base body and a sensor layer is proposed. The component can be, for example, a mechanical engineering component, such as a bearing shell or a bearing ring, a gear wheel or part of a gear wheel, a turbine wheel, a turbine blade, a camshaft, a slip ring seal or another component not explicitly mentioned here. In other embodiments of the invention, the component can be a tool or a part of a tool, for example an indexable insert, a milling cutter, a pressing tool or a mold. The component has at least one base body. The base body can be made of a metal or an alloy, a plastic or a ceramic. In some embodiments of the invention, the base body can be made from different materials and can have a layered structure, for example. The base body has at least one active surface or an effective zone which can be exposed to force or temperature during operation. Accordingly, the active surface can be, for example, the cutting edge of a tool, the raceway of a bearing, the sealing surface of a slip ring seal or another surface of the base body that is exposed to thermal and/or mechanical and/or corrosive stress.
Zumindest ein Teil des Grundkörpers bzw . zumindest ein Teil der Wirkf läche ist mit zumindest einer Sensorschicht versehen . Die Sensorschicht kann dazu eingerichtet sein, eine Temperatur und/oder eine mechanische Belastung und/oder eine Verformung und/oder einen pH-Wert zu erfassen . Hierzu kann die Sensorschicht piezoresistiv und/oder thermoresistiv sein . Somit kann durch Messung des elektrischen Widerstandes der Sensorschicht die Temperatur , der pH-Wert , die einwirkende Kraft oder die Verformung erfasst werden . At least part of the base body or at least part of the active surface is provided with at least one sensor layer. The sensor layer can be set up to detect a temperature and/or a mechanical load and/or a deformation and/or a pH value. For this purpose, the sensor layer can be piezoresistive and/or thermoresistive. Thus, by measuring the electrical resistance of the sensor layer, the temperature, the pH value, the acting force or the deformation can be recorded.
Weiterhin enthält das Bauteil zumindest eine elektrischeFurthermore, the component contains at least one electrical
Leitung mit einem ersten Ende und einem gegenüberliegenden zweiten Ende . Das erste Ende der Leitung steht mit der Sensorschicht an zumindest einer Stelle in Kontakt , so dass die Messung des elektrischen Widerstandes der Sensorschicht ermöglicht wird . Das gegenüberliegende zweite Ende der elektrischen Leitung ist dazu eingerichtet , direkt oder indirekt mit einer Strom- oder Spannungsquelle oder einem Messgerät verbunden zu werden . Im Falle einer indirekten Verbindung kann das zweite Ende der elektrischen Leitung mit einem Steckverbinder , einem Schleifring oder einem aktiven oder passiven Bauelement verbunden sein . Lead having a first end and an opposite end second end . The first end of the line is in contact with the sensor layer at least at one point, so that the electrical resistance of the sensor layer can be measured. The opposite, second end of the electrical line is designed to be connected directly or indirectly to a current or voltage source or a measuring device. In the case of an indirect connection, the second end of the electrical line can be connected to a plug connector, a slip ring or an active or passive component.
Erf indungsgemäß wird vorgeschlagen, die elektrische Leitung in den Grundkörper einzubetten, so dass das erste Ende zumindest teilweise an der Wirkf läche des Grundkörpers hervortritt , so dass beim Beschichten des Grundkörpers mit der Sensorschicht ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Ende der elektrischen Leitung und der Sensorschicht erzeugt wird . Das zweite Ende der elektrischen Leitung verlässt den Grundkörper an einer vorgebbaren Stelle , welche zum Anschluss einer Strom- oder Spannungsquelle oder eines Messgerätes vorgesehen ist . Hierdurch ist die elektrische Leitung innerhalb des Bauteiles geschützt angeordnet . Eine mechanische oder korrosive Beschädigung der elektrischen Leitung während es Betriebs des Bauteils ist damit ausgeschlossen oder zumindest reduziert . Weiterhin kann der Querschnitt der elektrischen Leitung gegenüber einer strukturierten Dünnschicht vergrößert sein, so dass der elektrische Widerstand bzw . elektrische Verluste der Leitung reduziert sein können . Darüber hinaus kann eine elektrische Leitung mit größerem Querschnitt zuverlässiger hergestellt werden, so dass bei der Herstellung des Bauteils weniger Ausschuss produziert wird . According to the invention, it is proposed to embed the electrical line in the base body, so that the first end protrudes at least partially on the active surface of the base body, so that when the base body is coated with the sensor layer, there is electrical contact between the first end of the electrical line and the sensor layer is produced . The second end of the electrical line leaves the base body at a predeterminable point, which is provided for connecting a current or voltage source or a measuring device. As a result, the electrical line is arranged in a protected manner within the component. Mechanical or corrosive damage to the electrical line during operation of the component is thus ruled out or at least reduced. Furthermore, the cross-section of the electrical line can be increased compared to a structured thin film, so that the electrical resistance or electrical losses of the line can be reduced. In addition, an electrical line with a larger cross-section can be produced more reliably, so that fewer rejects are produced during the production of the component.
Erf indungsgemäß kann der Grundkörper zumindest ein Polymer enthalten oder daraus bestehen . Ein solches Polymer kann mit oder ohne eingebrachte Faserverstärkung in einem generativen Fertigungsverfahren in an sich bekannter Weise verarbeitet werden, beispielsweise durch lagenweises Aufträgen des verf lüssigten Polymers mittels einer Düse oder durch Auf schmelzen eines Pulvers durch lokale Wärmeeinwirkung , bei spielsweise durch Laserstrahlung . Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung werden die Begrif fe generatives Fertigungsverfahren und 3D-Druckverf ahren bzw . 3D-Druck synonym verwendet . According to the invention, the base body can contain or consist of at least one polymer. Such a polymer can be processed with or without introduced fiber reinforcement in a generative manufacturing process in a manner known per se be, for example, by applying the liquefied polymer in layers using a nozzle or by melting a powder through local heat, for example through laser radiation. For the purposes of the present description, the terms additive manufacturing process and 3D printing process or 3D printing used interchangeably.
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann der Grundkörper zumindest ein Metall oder zumindest eine Legierung enthalten oder daraus bestehen . Ein solcher Grundkörper kann derzeit bekannte Bauteile , welche beispielsweise durch spanende Bearbeitung oder als Gussteil hergestellt sind, nahezu identisch ersetzen, da aufgrund des identischen oder ähnlichen Werkstof fes identische oder ähnliche mechanische und thermische Eigenschaften erhalten werden . Auch ein metallischer Werkstof f kann in einem generativen Fertigungs verfahren in an sich bekannter Weise verarbeitet werden, beispielsweise durch Auf schmelzen eines Pulvers durch lokale Wärmeeinwirkung , beispielsweise durch Laserstrahlung . In some embodiments of the invention, the base body can contain or consist of at least one metal or at least one alloy. Such a base body can currently replace known components, which are produced, for example, by machining or as a cast part, almost identically, since identical or similar mechanical and thermal properties are obtained due to the identical or similar material. A metallic material can also be processed in an additive manufacturing process in a manner known per se, for example by melting a powder through local heat exposure, for example through laser radiation.
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann der Grundkörper zumindest eine Keramik enthalten oder daraus bestehen . In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann aus Keramikpartikeln mit einer vollständigen oder teilweisen Umhüllung aus einem Polymer durch Erwärmen und Auf schmelzen des Polymers ein Grünling mittels 3D-Druck hergestellt werden . Dieser solchermaßen hergestellte Grünling kann sodann durch Sintern zum fertigen Bauteil nachbearbeitet werden . In some embodiments of the invention, the base body can contain or consist of at least one ceramic. In some embodiments of the invention, a green compact can be produced by means of 3D printing from ceramic particles with a complete or partial coating made of a polymer by heating and melting the polymer. This green body produced in this way can then be post-processed by sintering to form the finished component.
Ein Grundkörper aus einem Polymer oder einer Keramik kann ein elektrischer I solator mit einem spezif ischen Widerstand mit der als 106 Q- cm oder mehr als 107 Q- cm oder mehr als 108 Q- cm sein oder solches Material enthalten, so dass auch mehrere elektrische Leiter im Grundkörper eingebettet werden können, ohne dass es zu unerwünschten Kurzschlüssen kommt . In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann die Sensorschicht Chrom enthalten oder daraus bestehen . Eine solche Sensorschicht kann thermoresistiv sein und zur Temperaturerfassung in der Wirkzone bzw . auf der Wirkf läche verwendet werden . A base body made of a polymer or a ceramic can be an electrical insulator with a specific resistance of more than 10 6 Ω cm or more than 10 7 Ω cm or more than 10 8 Ω cm or contain such a material so that several electrical conductors can also be embedded in the base body without unwanted short circuits occurring. In some embodiments of the invention, the sensor layer may contain or consist of chromium. Such a sensor layer can be thermoresistive and used for temperature detection in the active zone or be used on the active surface.
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann die Sensorschicht Diamond-Like Carbon (DLC) enthalten oder daraus bestehen . Eine DLC- Schicht kann sowohl piezoresistiv als auch thermoresistiv sein und auf diese Weise mechanische Spannung bzw . Verformung und Temperatur gleichermaßen erfassen . Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird unter DLC eine überwiegend sp3 -hybridisierte Kohlenstof f modif ikation nach VDI 2840 verstanden . Im Gegensatz zu Diamant ist die DLC- Schicht amorph . Die DLC- Schicht kann neben Kohlenstof f zusätzlich Wasserstof f oder zumindest ein Metall enthalten, um den elektrischen Widerstand auf vorgebbare Sollwerte einzustellen oder die mechanische Härte an gewünschte Eigenschaften anzupassen und/oder um die Haft festigkeit auf dem Bauteil zu erhöhen . In some embodiments of the invention, the sensor layer can contain or consist of Diamond-Like Carbon (DLC). A DLC layer can be both piezoresistive and thermoresistive and in this way mechanical stress or Record deformation and temperature equally . For the purposes of the present description, DLC is understood to mean a predominantly sp 3 -hybridized carbon modification according to VDI 2840. Unlike diamond, the DLC layer is amorphous. In addition to carbon, the DLC layer can also contain hydrogen or at least one metal in order to adjust the electrical resistance to predeterminable target values or to adapt the mechanical hardness to desired properties and/or to increase the adhesive strength on the component.
Die Sensorschicht kann in einigen Ausführungsformen der Erf indung mittels eines PVD-Verf ährens aufgebracht werden . In anderen Ausführungsformen der Erf indung kann die Sensorschicht , insbesondere in Form einer DLC- Schicht , mittels eines CVD-Verf ährens aufgebracht werden . In wiederum anderen Ausführungsformen der Erf indung kann die Sensorschicht durch thermisches Spritzen, durch ein Atmosphärendruckverfahren, eine außenstromlose Beschichtung und/oder eine galvanische Beschichtung erzeugt werden . Fallweise können zwischen dem Grundkörper bzw . der Wirkf läche und der Sensorschicht optionale Zusatzschichten eingebracht werden, welche beispielweise eine elektrische I solierung der Sensorschicht vom Grundkörper ermöglichen oder welche die Haftfestigkeit der Sensorschicht erhöhen . In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann auf der Sensorschicht eine Deckschicht angeordnet sein, welche einen korrosiven Angrif f auf die Sensorschicht verhindert oder reduziert . In anderen Ausführungsformen der Erf indung kann die Deckschicht im Falle eines tribologisch belasteten Bauteils die Reibung der Sensorschicht bzw . der Wirkf läche gegenüber einem Reibpartner verringern . In wiederum anderen Ausführungsformen der Erf indung kann die Deckschicht den übermäßigen oder vorzeitigen Verschleiß der Sensorschicht verhindern . In some embodiments of the invention, the sensor layer can be applied by means of a PVD process. In other embodiments of the invention, the sensor layer, in particular in the form of a DLC layer, can be applied by means of a CVD process. In still other embodiments of the invention, the sensor layer can be produced by thermal spraying, by an atmospheric pressure method, a coating without external current and/or a galvanic coating. Case by case between the body or Optional additional layers can be introduced into the active surface and the sensor layer, which, for example, enable electrical insulation of the sensor layer from the base body or which increase the adhesive strength of the sensor layer. In some embodiments of the invention, a cover layer can be arranged on the sensor layer, which prevents or reduces a corrosive attack on the sensor layer. In other embodiments of the invention, in the case of a tribologically loaded component, the cover layer can reduce the friction of the sensor layer or reduce the effective surface compared to a friction partner. In yet other embodiments of the invention, the top layer may prevent excessive or premature wear of the sensor layer.
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann die elektrische Leitung zumindest ein Metall oder zumindest eine Legierung enthalten oder daraus bestehen . In anderen Aus führungsformen der Erf indung kann die elektrische Leitung leitfähige Partikel in zumindest einem Matrixmaterial ent halten oder daraus bestehen . Beispielsweise kann ein Polymer mit leitfähigen Partikeln gefüllt sein . Eine Keramik kann mit leitfähigen Partikeln gefüllt oder beschichtet sein . Durch Anwendung eines Multi -Nozzle-Druckverf ährens können somit einzelne Flächen- bzw . Raumbereiche des Grundkörpers aus elektrisch leitfähigem Material gedruckt werden . Andere Flächen bzw . Raumbereiche können mit einem elektrisch isolierenden Material gedruckt werden . Auf diese Weise lassen sich dreidimensionale Leiterbahnen auch in komplexen geometrischen Verläufen in einen isolierenden Grundkörper einbetten, so dass einerseits eine Sensorschicht auch an schwer zugänglichen Wirkf lächen kontaktiert werden kann und andererseits die elektrische Leitung durch Einbetten geschützt und mechanisch robust ausgeführt werden kann . In some embodiments of the invention, the electrical line can contain or consist of at least one metal or at least one alloy. In other embodiments of the invention, the electrical line can contain or consist of conductive particles in at least one matrix material. For example, a polymer can be filled with conductive particles. A ceramic can be filled or coated with conductive particles. By using a multi-nozzle printing process, individual surface or Spatial areas of the base body are printed from electrically conductive material. Other areas or Areas of space can be printed with an electrically insulating material. In this way, three-dimensional conductor tracks can also be embedded in complex geometric shapes in an insulating base body, so that on the one hand a sensor layer can also be contacted on active surfaces that are difficult to access and on the other hand the electrical line can be protected by embedding and made mechanically robust.
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann die elektrische Leitung in Form eines Drahtes oder einer Metall schicht bereitgestellt und beim Herstellen des Grundkörpers im generativen Herstellungsprozess eingebettet werden . Hierzu kann eine elektrische Leitung beispielsweise als Draht abgewickelt und dem Grundkörper unmittelbar vor dem Umspritzen bzw . Einbetten mit dem Material des Grundkörpers zugeführt werden . In anderen Ausführungsformen der Erf indung kann eine elektrische Leitung abgelängt , in eine komplexe Form gebracht und im 3D-Druckverf ahren bereitgestellt werden, so dass diese spannungsfrei in den Grundkörper eingebettet werden kann . In some embodiments of the invention, the electrical line can be provided in the form of a wire or a metal layer and embedded when the base body is produced in the additive manufacturing process. For this purpose, an electrical line, for example, unwound as a wire and the body immediately before overmolding or Embedding to be supplied with the material of the base body. In other embodiments of the invention, an electrical line can be cut to length, given a complex shape and provided using the 3D printing method, so that it can be embedded in the base body free of stress.
Sofern der Grundkörper selbst aus einem elektrisch leit fähigen Material besteht , kann die elektrische Leitung zumindest abschnittsweise mit einem I solator umhüllt werden, ehe diese in den Grundkörper eingebettet wird . Hierdurch werden Kurzschlüsse über den Grundkörper vermieden . If the base body itself consists of an electrically conductive material, the electrical line can be encased at least in sections with an insulator before it is embedded in the base body. This avoids short circuits via the base body.
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann das zumindest erste Ende der elektrischen Leitung als Kontakt f läche ausgebildet sein . Die Kontaktf läche kann einen größeren Querschnitt aufweisen als der Querschnitt der elektrischen Leitung , so dass die Sensorschicht über eine größere Fläche kontaktiert werden kann . Hierdurch können elektrische Übergangswiderstände zwischen der elektrischen Leitung und der Sensorschicht reduziert sein . In some embodiments of the invention, the at least first end of the electrical line can be designed as a contact surface. The contact surface can have a larger cross section than the cross section of the electrical line, so that the sensor layer can be contacted over a larger surface. As a result, electrical transition resistances between the electrical line and the sensor layer can be reduced.
In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann die elektrische Leitung eine Dicke und/oder eine Breite zwischen etwa 3 pm und etwa 1 mm aufweisen . In anderen Ausführungs formen der Erf indung kann die elektrische Leitung eine Dicke und/oder eine Breite zwischen etwa 10 pm und etwa 200 pm aufweisen . In wiederum anderen Ausführungsformen kann die elektrische Leitung eine Dicke und/oder eine Breite zwischen etwa 20 pm und etwa 100 pm aufweisen . Dies erlaubt es , elektrische Leitungen auch in kleine Grundkörper einzubringen oder elektrische Leitungen eng bzw . in geringem Abstand zueinander zu führen, so dass die Sensorschicht mit mehreren Leitungen mit großer räumlicher Auf lösung ausgelesen werden kann . In einigen Ausführungsformen der Erf indung kann die Sensorschicht eine Dicke zwischen etwa 1 pm und etwa 100 pm auf weisen . In anderen Ausführungsformen der Erf indung kann die Sensorschicht eine Dicke zwischen etwa 5 pm und etwa 70 pm aufweisen . In wiederum anderen Ausführungsformen der Erf indung kann die Sensorschicht eine Dicke zwischen etwa 10 pm und etwa 50 pm aufweisen . Solche Sensorschichten können die Maßhaltigkeit und/oder die Verformbarkeit des Bauteils nur in geringem Maße beeinträchtigen, so dass bekannte Bauteile ohne Sensorschicht ohne weitere Anpassung der Konstruktion durch die erf indungsgemäßen Bauteile ersetzt werden können . In some embodiments of the invention, the electrical line can have a thickness and/or a width of between approximately 3 μm and approximately 1 mm. In other embodiments of the invention, the electrical line can have a thickness and/or a width of between approximately 10 μm and approximately 200 μm. In yet other embodiments, the electrical line can have a thickness and/or a width of between approximately 20 μm and approximately 100 μm. This allows electrical lines to be introduced into small base bodies or electrical lines narrow or narrow. to lead to each other at a small distance, so that the sensor layer can be read with several lines with a large spatial resolution. In some embodiments of the invention, the sensor layer can have a thickness between about 1 μm and about 100 μm. In other embodiments of the invention, the sensor layer can have a thickness between about 5 μm and about 70 μm. In yet other embodiments of the invention, the sensor layer can have a thickness of between approximately 10 μm and approximately 50 μm. Such sensor layers can affect the dimensional accuracy and/or the deformability of the component only to a small extent, so that known components without a sensor layer can be replaced by the components according to the invention without further adjustment of the design.
Nachfolgend soll die Erf indung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erf indungsgedankens näher erläutert werden . Dabei zeigt The invention is to be explained in more detail below with reference to figures without restricting the general inventive idea. while showing
Figurl eine erste Ausführungsform eines erf indungsgemäßen Bauteils in der Ansicht . Figure a first embodiment of a component according to the invention in the view.
Figur 2 zeigt die erste Ausführungsform des erf indungsgemäßen Bauteils im Schnitt . FIG. 2 shows the first embodiment of the component according to the invention in section.
Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erf indungs gemäßen Bauteils in der Ansicht . FIG. 3 shows a view of a second embodiment of a component according to the invention.
Figur 4 zeigt die zweite Ausführungsform des erf indungs gemäßen Bauteils im Schnitt . FIG. 4 shows the second embodiment of the component according to the invention in section.
Anhand der Figuren 1 und 2 wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erf indung näher erläutert . Dargestellt ist ein Bauteil 1 , welches beispielsweise Teil eines Lagers , einer Schleifringdichtung , eines Schneidwerkzeuges , oder einer anderen, mechanisch belasteten Komponente sein kann . Dementsprechend ist die in Figur 1 und 2 dargestellte , quaderförmige Geometrie nur beispielhaft zu versehen . In anderen Ausführungsformen der Erf indung kann das Bauteil selbstverständlich eine andere , seinem Zweck entsprechende Form auf eisen . A first embodiment of the present invention is explained in more detail with reference to FIGS. Shown is a component 1, which can be, for example, part of a bearing, a slip ring seal, a cutting tool, or another mechanically loaded component. Accordingly, the cuboid geometry shown in FIGS. 1 and 2 is only to be provided as an example. In other embodiments of the invention, the component of course a different shape on iron that corresponds to its purpose .
Figur 1 zeigt eine teilweise geschnittene , räumliche Darstellung des Bauteils 1 . Unmittelbar übereinanderliegende bzw . miteinander in Kontakt stehende Bestandteile der Erf indung sind in Figur 1 nach Art einer Explosionszeichnung auseinandergezogen . Figur 2 zeigt demgegenüber einen Schnitt . FIG. 1 shows a partially sectioned spatial representation of the component 1 . Immediately superimposed or Components of the invention that are in contact with one another are exploded in FIG. 1 in the manner of an exploded view. In contrast, FIG. 2 shows a section.
Das Bauteil 1 enthält einen Grundkörper 10 , welcher bei spielsweise aus einem Metall , einer Legierung , zumindest einem Polymer oder einer Keramik hergestellt sein kann . Der Grundkörper 10 kann mittels eines generativen Herstellungs verfahrens bzw . einem 3D-Druck hergestellt werden . Der Grundkörper 10 kann, wie in den Figuren dargestellt , homogen aus einem einzigen Material hergestellt sein . In anderen Ausführungsformen der Erf indung kann der Grundkörper 10 aus Einzelschichten unterschiedlichen Materials zusammengesetzt sein, um auf diese Weise die Verschleißfestigkeit und/oder die mechanische Belastbarkeit zu erhöhen oder an vorgebbare Aufgaben anzupassen . The component 1 contains a base body 10 which, for example, can be made of a metal, an alloy, at least one polymer or a ceramic. The base body 10 can process or by means of an additive manufacturing. be produced using 3D printing. As shown in the figures, the base body 10 can be produced homogeneously from a single material. In other embodiments of the invention, the base body 10 can be composed of individual layers of different materials in order in this way to increase the wear resistance and/or the mechanical load-bearing capacity or to adapt it to specified tasks.
Der Grundkörper 10 kann in einen generativen Herstellungs verfahren in der gewünschten Geometrie hergestellt werden, beispielsweise durch partielles Auf schmelzen eines Metall pulvers , durch strangweises Anlegen eines Polymers oder durch Versintern eines Keramikpulvers . The base body 10 can be produced in an additive manufacturing process in the desired geometry, for example by partially melting a metal powder, by applying a polymer in strands or by sintering a ceramic powder.
Der Grundkörper 10 weist eine Wirkf läche 11 auf , welche bei Betrieb des Bauteils 1 einer Temperatur und/oder einer Kraft ausgesetzt ist . Beispielweise kann die Wirkf läche 11 die Laufbahn eines Lagers , die Dichtf läche einer Schleifringdichtung oder die Kontaktf läche eines Werkzeuges sein . The base body 10 has an effective surface 11 which is exposed to a temperature and/or a force when the component 1 is in operation. For example, the active surface 11 can be the raceway of a bearing, the sealing surface of a slip ring seal or the contact surface of a tool.
Im Grundkörper 10 ist zumindest eine elektrische Leitung 3 angeordnet . Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind schematisch zwei elektrische Leitungen 3 dargestellt . In anderen Ausführungsformen der Erf indung kann die Anzahl der elektrischen Leitung größer oder auch geringer sein . Die Erf indung lehrt nicht die Verwendung von genau zwei elektrischen Leitungen 3 als Lösungsprinzip . At least one electrical line 3 is arranged in the base body 10 . In the illustrated embodiment are two electrical lines 3 are shown schematically. In other embodiments of the invention, the number of electrical lines can be greater or less. The invention does not teach the use of exactly two electrical lines 3 as a solution principle.
Jede elektrische Leitung 3 weist ein erstes Ende 31 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 32 auf . Das erste Ende 31 endet in einer Kontaktf läche 35 , welche einen größeren Querschnitt aufweist als die elektrische Leitung 3 . Hierdurch können Übergangswiderstände zur Sensorschicht 2 reduziert sein . Each electrical line 3 has a first end 31 and an opposite second end 32 . The first end 31 ends in a contact surface 35 which has a larger cross section than the electrical line 3 . As a result, transition resistances to the sensor layer 2 can be reduced.
Sofern der Grundkörper 10 aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist , kann die elektrische Leitung 3 von einer I solationsschicht 4 umgeben sein . In anderen Aus führungsformen der Erf indung kann die I solationsschicht 4 auch entfallen, insbesondere wenn der Grundkörper 10 selbst elektrisch isolierend ist . Das zweite Ende 32 der elektrischen Leitung 3 ist dazu vorgesehen, mit einer Messeinrichtung und/oder einer elektrischen Stromquelle und/oder einer elektrischen Spannungsquelle verbunden zu werden, so dass der elektrische Widerstand der Sensorschicht 2 erfasst werden kann . If the base body 10 is made of an electrically conductive material, the electrical line 3 can be surrounded by an insulating layer 4 . In other embodiments of the invention, the insulating layer 4 can also be omitted, particularly if the base body 10 itself is electrically insulating. The second end 32 of the electrical line 3 is intended to be connected to a measuring device and/or an electrical current source and/or an electrical voltage source, so that the electrical resistance of the sensor layer 2 can be detected.
Auf der Wirkf läche 11 ist eine optionale I solationsschicht 5 angeordnet . Die I solationsschicht 5 kann beispielsweise ein Oxid oder ein Nitrit oder ein Oxynitrit oder ein Polymer enthalten oder daraus bestehen . Die I solationsschicht 5 kann selbst wieder einen mehrschichtigen Aufbau aus Einzel schichten aufweisen . Die I solationsschicht 5 kann mittels eines CVD-Verf ährens zumindest auf der Wirkf läche 11 des Grundkörpers 10 erzeugt werden . Die I solationsschicht 5 kann Öf fnungen 55 aufweisen, durch welche die Kontaktf lächen 35 zur Sensorschicht 2 geführt werden können . Auch die I solationsschicht 5 kann in einigen Ausführungsformen der Erf indung entfallen, insbesondere wenn der Grundkörper selbst aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist . An optional insulation layer 5 is arranged on the active surface 11 . The insulation layer 5 can contain or consist of an oxide or a nitrite or an oxynitrite or a polymer, for example. The insulation layer 5 can itself have a multilayer structure made up of individual layers. The insulating layer 5 can be produced at least on the active surface 11 of the base body 10 by means of a CVD process. The insulation layer 5 can have openings 55 through which the contact surfaces 35 can be guided to the sensor layer 2 . In some embodiments of the invention, the insulating layer 5 can also be omitted, particularly if the base body itself is made of an electrically insulating material.
Auf der I solationsschicht 5 bef indet sich die Sensorschicht 2 . Die Sensorschicht 2 kann thermoresistiv und/oder piezoresistiv sein . Die Sensorschicht 2 kann beispielsweise Chrom oder Diamond-Like Carbon (DLG) enthalten . The sensor layer 2 is located on the insulation layer 5 . The sensor layer 2 can be thermoresistive and/or piezoresistive. The sensor layer 2 can contain chromium or diamond-like carbon (DLG), for example.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sensorschicht 2 strukturiert , d . h . nach vollf lächiger Abscheidung mittels eines Atmosphärendruckverfahrens , eines CVD-Verf ährens , eines PVD-Verf ährens , einer außenstromlosen Abscheidung und/oder einer galvanischen Abscheidung , kann die Sensorschicht 2 durch Maskieren und Ätzen so strukturiert werden, dass diese eine erste Kontaktf läche 21 , eine zweite Kontakt f läche 22 und zumindest einen die Kontaktf lächen miteinander verbindenden Leiter aufweist . Der Leiter kann f lächig ausgeführt werden oder wie in Figur 1 dargestellt , in Form mehrerer Mäander auf der Oberf läche der I solationsschicht 5 verlaufen . Die ersten und Kontaktf lächen 21 und 22 sind mit der Kontaktf läche 35 des elektrischen Leiters 3 verbunden . Im Falle einer Temperaturänderung des Bauteils 1 tritt eine Verformung der mäanderförmig verlaufenden Sensorschicht 2 auf . Sofern eine mechanische Spannung auf den Grundkörper 10 einwirkt , führt auch die Verformung des Grundkörpers 10 zur Verformung der mäanderförmig verlaufenden Sensorschicht 2 . Diese Verformung verursacht eine Änderung des elektrischen Widerstandes , welche über ein mit den elektrischen Leitungen 3 verbundenes Messgerät erfasst werden kann . In the exemplary embodiment shown, the sensor layer 2 is structured, d. H . after full-surface deposition by means of an atmospheric pressure method, a CVD method, a PVD method, electroless deposition and/or galvanic deposition, the sensor layer 2 can be structured by masking and etching in such a way that it has a first contact surface 21, a second contact surface 22 and at least one conductor connecting the contact surfaces to one another. The conductor can be flat or, as shown in FIG. 1, run in the form of several meanders on the surface of the insulating layer 5 . The first and second contact surfaces 21 and 22 are connected to the contact surface 35 of the electrical conductor 3 . If the temperature of the component 1 changes, the meandering sensor layer 2 is deformed. If a mechanical stress acts on the base body 10 , the deformation of the base body 10 also leads to the deformation of the meandering sensor layer 2 . This deformation causes a change in the electrical resistance, which can be detected using a measuring device connected to the electrical lines 3 .
Auf der Sensorschicht 2 kann eine optionale Deckschicht 6 angeordnet sein . Die Deckschicht 6 kann als Verschleißschutzschicht , als Gleitschicht oder als Korrosionsschutz schicht ausgeführt sein und solchermaßen die Sensorschicht 2 vor Beschädigung bewahren und/oder die tribologischen Eigenschaften des Bauteils 1 verbessern . Anhand der Figuren 3 und 4 wird ein zweites Ausführungs - beispiel der vorliegenden Erf indung näher erläutert . Gleiche Bestandteile der Erf indung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt . An optional cover layer 6 can be arranged on the sensor layer 2 . The cover layer 6 can be designed as a wear protection layer, as a sliding layer or as an anti-corrosion layer and in this way can protect the sensor layer 2 from damage and/or improve the tribological properties of the component 1 . A second exemplary embodiment of the present invention is explained in more detail with reference to FIGS. Identical components of the invention are provided with the same reference symbols, so that the following description is limited to the essential differences.
Auch das Bauteil 1 gemäß der zweiten Ausführungsform weist einen Grundkörper 10 , wie vorstehend beschrieben . Im Grundkörper 10 sind zwei elektrische Leiter 3a , 3b dargestellt , welche j eweils ein erstes Ende 31 und ein zweites Ende 32 aufweisen . Jeder Leiter weist am ersten Ende 31 eine Kontaktf läche 35a bzw . 35b auf . Die Kontaktf läche 35a ist dabei länglich ausgeführt und die Kontaktf läche 35b weist eine runde Grundf läche auf . The component 1 according to the second embodiment also has a base body 10 as described above. Two electrical conductors 3 a , 3 b are shown in the base body 10 , each of which has a first end 31 and a second end 32 . Each conductor has a contact surface 35a and 35a at the first end 31, respectively. 35b on . The contact surface 35a is elongate and the contact surface 35b has a round base.
Da der Grundkörper 10 aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist , beispielsweise einer Keramik , können die elektrischen Leiter 3 ohne zusätzliche I solationsschicht 4 eingebettet werden . Der Grundkörper 10 und die eingebetteten elektrischen Leiter 3 können in einem Multi -Nozzle- Druckverf ahren hergestellt werden, in dem polymerummantelte Keramikpartikel erwärmt und schichtweise aufgetragen werden, um den Grundkörper 10 als Grünling zu fertigen . Durch nachfolgendes Sintern kann daraus ein Keramikkörper hergestellt werden . Die elektrischen Leiter 3 enthalten dabei eine Keramik , welche mit elektrisch leitfähigen Partikeln gefüllt ist , so dass diese nach dem Sintern unmittelbar Kontakt zueinander haben und den elektrischen Strom leiten . Das verbleibende Volumen des Grundkörpers 10 ist mit Keramikpartikeln hergestellt , welche keinen elektrisch leitfähigen Füllstof f enthalten und damit zu einer isolierenden Keramik führen . Since the base body 10 is made of an electrically insulating material, for example a ceramic, the electrical conductors 3 can be embedded without an additional insulating layer 4 . The base body 10 and the embedded electrical conductors 3 can be produced in a multi-nozzle printing process in which polymer-coated ceramic particles are heated and applied in layers in order to produce the base body 10 as a green body. A ceramic body can be produced from this by subsequent sintering. The electrical conductors 3 contain a ceramic that is filled with electrically conductive particles, so that they are in direct contact with one another after sintering and conduct the electric current. The remaining volume of the base body 10 is made with ceramic particles which do not contain any electrically conductive filler and thus result in an insulating ceramic.
Da der Grundkörper 10 somit im Wesentlichen elektrisch nichtleitend ausgeführt ist , ist auch die Wirkf läche 11 elektrisch isolierend . Die Sensorschicht 2 kann daher unmittelbar auf der Wirkf läche 11 hergestellt bzw . abgeschieden werden . Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sensorschicht 2 aus piezoresistiven Material gefertigt , so dass diese bei Einwirken einer mechanischen Kraft bzw . einer Verformung eine Änderung des elektrischen Widerstands erfährt . Eine weitergehende Strukturierung ist daher nicht notwendig . Die Sensorschicht 2 kann als vollf lächige Beschichtung auf der Wirkf läche 11 angeordnet werden . Die Sensorschicht 2 weist eine Öf fnung 25 auf , durch welche die Kontaktf läche 35a des Leiters 3a an die der Wirkf läche 11 abgewandte Seite der Sensorschicht 2 geführt ist . Since the base body 10 is thus designed to be essentially electrically non-conductive, the active surface 11 is also electrically insulating. The sensor layer 2 can therefore be produced or coated directly on the active surface 11 . be deposited. In the exemplary embodiment shown, the sensor layer 2 is made of piezoresistive material, so that when a mechanical force or a deformation undergoes a change in electrical resistance. Further structuring is therefore not necessary. The sensor layer 2 can be arranged as a full-surface coating on the active surface 11 . The sensor layer 2 has an opening 25 through which the contact surface 35a of the conductor 3a is led to the side of the sensor layer 2 remote from the active surface 11 .
Auf der Sensorschicht 2 ist eine elektrisch leitfähige Schicht als Gegenelektrode angebracht . Die Gegenelektrode 7 kann beispielsweise ein Metall oder eine Legierung enthalten und kann durch an sich bekannte Verfahren, wie beispiels weise ein PVD-Verf ahren, Sputtern, thermisches Spritzen oder ähnliche Verfahren aufgebracht werden . An electrically conductive layer is attached to the sensor layer 2 as a counter-electrode. The counter-electrode 7 can contain a metal or an alloy, for example, and can be applied by methods known per se, such as a PVD method, sputtering, thermal spraying or similar methods.
Auf der Gegenelektrode 7 kann wiederum eine optionale Deckschicht 6 angeordnet werden, wie vorstehend beschrieben . Es ist j edoch darauf hinzuweisen, dass eine solche Deckschicht 6 auch entfallen kann, wenn diese für den Betrieb des Bauteils 1 nicht erforderlich ist . An optional cover layer 6 can in turn be arranged on the counter-electrode 7, as described above. However, it should be pointed out that such a cover layer 6 can also be omitted if it is not required for the operation of the component 1 .
Selbstverständlich ist die Erf indung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt . Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen . Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erf indung vorhanden ist . Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus . Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „ erste" und „ zweite" Ausführungsformen def inieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Aus führungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen . Of course, the invention is not limited to the illustrated embodiments. The above description is therefore not to be considered as limiting but as illustrative. The following claims are to be understood in such a way that a mentioned feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of other characteristics. If the claims and the above description define "first" and "second" embodiments, this designation is used to distinguish between two similar embodiments without establishing a ranking.

Claims

Ansprüche Bauteil (1) mit einem Grundkörper (10) und einer Sensorschicht (2) , welche den Grundkörper (10) zumindest teilweise bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) weiterhin zumindest eine elektrische Leitung (3) mit einem ersten Ende (31) und einem gegenüberliegenden zweiten Ende (32) aufweist, welche zumindest teilweise in den Grundkörper (10) eingebettet ist und deren erstes Ende (31) mit der Sensorschicht (2) in Kontakt steht, wobei der Grundkörper in einem generativen Fertigungsverfahren erzeugt wurde. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper ein Polymer enthält oder daraus besteht und/oder dass der Grundkörper zumindest ein Metall oder zumindest eine Legierung enthält oder daraus besteht und/oder dass der Grundkörper zumindest eine Keramik enthält oder daraus besteht . Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (2) piezoresistiv und/oder thermoresistiv ist und/oder dass die Sensorschicht (2) Chrom und/oder DLC enthält oder daraus besteht . Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine elektrische Leitung (3) zumindest ein Metall oder zumindest eine Legierung enthält oder daraus besteht und/oder dass die zumindest eine elektrische Leitung (3) leitfähige Partikel in zumindest einem Matrixmaterial enthält oder daraus besteht. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin enthaltend eine Isolationsschicht (4) , welche die zumin- dest eine elektrische Leitung (3) in zumindest einem Längsabschnitt umgibt. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Ende (31) der elektrischen Leitung (3) als Kontaktf läche (35) ausgebildet ist . Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitung (3) eine Dicke und/oder eine Breite zwischen etwa 3 pm und etwa 1 mm oder zwischen etwa 10 pm und etwa 200 pm oder zwischen etwa 20 pm und etwa 100 pm aufweisen und/oder dass die Sensorschicht (2) eine Dicke zwischen etwa 1 pm und etwa 100 pm oder zwischen etwa 5 pm und etwa 70 pm oder zwischen etwa 10 pm und etwa 50 pm aufweist. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (2) zur Erfassung von Druck und/oder Temperatur und/oder Verformung und/oder pH-Wert eingerichtet ist. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) mit folgenden Schritten: Claims component (1) having a base body (10) and a sensor layer (2) which at least partially covers the base body (10), characterized in that the component (1) further comprises at least one electrical line (3) having a first end ( 31) and an opposite second end (32), which is at least partially embedded in the base body (10) and whose first end (31) is in contact with the sensor layer (2), the base body being produced in an additive manufacturing process. Component according to Claim 1, characterized in that the base body contains or consists of a polymer and/or that the base body contains or consists of at least one metal or at least one alloy and/or that the base body contains or consists of at least one ceramic. Component according to Claim 1 or 2, characterized in that the sensor layer (2) is piezoresistive and/or thermoresistive and/or that the sensor layer (2) contains or consists of chromium and/or DLC. Component according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the at least one electrical line (3) contains or consists of at least one metal or at least one alloy and/or that the at least one electrical line (3) has conductive particles in at least one matrix material contains or consists of. Component according to one of claims 1 to 4, further containing an insulating layer (4) which the at least at least one electrical line (3) surrounds in at least one longitudinal section. Component according to one of Claims 1 to 5, characterized in that at least the first end (31) of the electrical line (3) is designed as a contact surface (35). Component according to one of claims 1 to 6, characterized in that the electrical line (3) has a thickness and / or a width between about 3 pm and about 1 mm or between about 10 pm and about 200 pm or between about 20 pm and about 100 μm and/or that the sensor layer (2) has a thickness between approximately 1 μm and approximately 100 μm or between approximately 5 μm and approximately 70 μm or between approximately 10 μm and approximately 50 μm. Component according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the sensor layer (2) is set up to detect pressure and/or temperature and/or deformation and/or pH. Method for producing a component (1) with the following steps:
Herstellen eines Grundkörpers (10) , welcher zumindest eine elektrische Leitung (3) mit einem ersten Ende (31) und einem gegenüberliegenden zweiten Ende (32) enthält, welche zumindest teilweise in den Grundkörper (10) eingebettet ist und deren erstes Ende (31) an einer Außenfläche des Grundkörpers (10) exponiert ist, wobei zumindest der Grundkörper (10) mittels eines generativen Fertigungsverfahren hergestellt wird Production of a base body (10), which contains at least one electrical line (3) with a first end (31) and an opposite second end (32), which is at least partially embedded in the base body (10) and whose first end (31) is exposed on an outer surface of the base body (10), at least the base body (10) being produced by means of an additive manufacturing process
Aufbringen einer Sensorschicht (2) , welche den Grundkörper (10) zumindest teilweise bedeckt, so dass diese zumindest mit dem ersten Ende (31) der elektrischen Leitung (3) in Kontakt steht. 16 Verfahren nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet , dass die elektrische Leitung ( 3 ) mittels eines generativen Fertigungsverfahren hergestellt wird . Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10 , dadurch gekennzeichnet , dass die Sensorschicht ( 2 ) piezoresistiv und/oder thermoresistiv ist und/oder dass die Sensorschicht ( 2 ) Chrom und/oder DLC enthält oder daraus besteht und/oder dass die Sensorschicht ( 2 ) mittels eines PVD-Verf ährens oder eines CVD-Verf ährens oder durch thermisches Spritzen oder durch ein Atmosphärendruckverfahren oder durch eine außenstromlose Beschichtung oder durch eine galvanische Beschichtung erzeugt wird . Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet , dass die elektrische Leitung ( 3 ) mit einer Dicke und/oder einer Breite zwischen etwa 3 pm und etwaApplication of a sensor layer (2) which at least partially covers the base body (10) so that it is in contact at least with the first end (31) of the electrical line (3). 16 Method according to claim 9, characterized in that the electrical line (3) is produced by means of an additive manufacturing process. Method according to one of Claims 9 or 10, characterized in that the sensor layer (2) is piezoresistive and/or thermoresistive and/or that the sensor layer (2) contains or consists of chromium and/or DLC and/or that the sensor layer (2 ) by means of a PVD method or a CVD method or by thermal spraying or by an atmospheric pressure method or by electroless coating or by electroplating. 12. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the electrical line (3) with a thickness and / or a width between about 3 pm and about
1 mm oder zwischen etwa 10 pm und etwa 200 pm oder zwischen etwa 20 pm und etwa 100 pm hergestellt wird und/oder dass die Sensorschicht ( 2 ) mit einer Dicke zwischen etwa 1 pm und etwa 100 pm oder zwischen etwa 5 pm und etwa 70 pm oder zwischen etwa 10 pm und etwa 50 pm hergestellt wird . Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12 , dadurch gekennzeichnet , dass der Grundkörpers ( 10 ) und die zumindest eine elektrische Leitung ( 3 ) durch schicht weises Aufträgen von Materialien mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit mittels eines 3D-Druckes erzeugt werden . 1 mm or between about 10 μm and about 200 μm or between about 20 μm and about 100 μm and/or that the sensor layer (2) has a thickness between about 1 μm and about 100 μm or between about 5 μm and about 70 μm pm or between about 10 pm and about 50 pm. Method according to one of Claims 9 to 12, characterized in that the base body (10) and the at least one electrical line (3) are produced by applying materials with different electrical conductivity in layers using a 3D print.
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