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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung zeichnet sich das Verfahren durch Oberflächennachbearbeiten zumindest an der Membran aus.
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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.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung ist bevorzugt, dass das Pulvermaterial in einem Hohlraum der mit dem generativen Fertigungsverfahren gefertigten Struktur beibehalten wird.
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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.
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Das Drucksensormesselement ist insbesondere durch ein Verfahren nach einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen hergestellt oder damit herstellbar.
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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.
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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.
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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.
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Bevorzugt hat das Drucksensormesselement wenigstens eine Versteifungsstruktur zur Versteifung gegen Verformungen oder zur Beeinflussung von Resonanzfrequenzen.
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Bevorzugt hat das Drucksensormesselement wenigstens eine Rippe oder einem Vorsprung oder einem Ring.
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Bevorzugt hat das Drucksensormesselement Querstrukturen in Form eines oder mehrere Hitzeschilder.
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Bevorzugt hat das Drucksensormesselement wenigstens einen Kanal zur Durchführung wenigstens einer Leitung oder zur Entkopplung einer inneren Struktur und einer äußeren Struktur.
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Bevorzugt hat das Drucksensormesselement wenigstens einen Hohlraum zwischen einer inneren und einer äußeren Struktur.
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Bevorzugt hat das Drucksensormesselement wenigstens ein Sensorelement zur Überwachung der Funktion oder der Struktur der Membran.
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Bevorzugt ist das Drucksensormesselement gefertigt aus Stahl, Edelstahl oder aus einer NiCrNbMo-Legierung (z.B. Inconel 718).
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Drucksensor, umfassend ein Drucksensormesselement nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen.
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Vorzugsweise ist der Drucksensor ein Kombinationssensor zur Erfassung sowohl von Druck als auch einer Temperatur.
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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.
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Im Folgenden werden einige Vorteile von besonders bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung näher erläutert.
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Insbesondere bei an Brennräumen verwendeten Drucksensoren aber auch bei anderen Drucksensoren wäre oft zusätzlich zur Druckmessung eine Temperaturmessung wünschenswert.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Fertigungsvorrichtung zum Durchführen eines generativen Fertigungsverfahren im Verlauf eines Herstellens eines Drucksensormesselements gemäß einer Ausführungsform;
- 2 eine Prinzipskizze einer bevorzugten Anwendung des hier offenbarten Drucksensormesselements;
- 3 eine perspektivische Ansicht eines Drucksensormesselements gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 4 eine Schnittansicht des Drucksensormesselements gemäß der ersten Ausführungsform;
- 5 eine weitere Schnittansicht des Drucksensormesselements gemäß der ersten Ausführungsform;
- 6 eine weitere Schnittansicht des Drucksensormesselements mit einem eingesetzten Sensorelement gemäß der ersten Ausführungsform;
- 7 eine Draufsicht des in 5 dargestellten Drucksensormesselements;
- 8 eine weitere Schnittansicht des Drucksensormesselements mit unverschlossenen Pulveraustrittsöffnungen gemäß der ersten Ausführungsform;
- 9 eine perspektivische Ansicht des Drucksensormesselements gemäß der ersten Ausführungsform;
- 10 eine Schnittansicht des Drucksensormesselements gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 11 eine perspektivische Schnittansicht des Drucksensormesselements gemäß der zweiten Ausführungsform;
- 12 eine perspektivische Schnittansicht eines Drucksensormesselements mit Strukturelementen auf der Innenwandung der Hülse; und
- 13 eine weitere perspektivische Schnittansicht eines Drucksensormesselements mit Strukturelementen auf der Innenwandung der Hülse und Außenwandung des Stößels
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Im Folgenden wird zunächst auf 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.
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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.
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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.
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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.
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Die Strahlerzeugungseinrichtung 36 weist eine Strahlerzeugungseinheit 38 sowie wenigstens eine Strahlbeeinflussungseinrichtung 46 auf.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele von zur Herstellung des Drucksensormesselents geeigneten generativen Herstellverfahren können Selective Laser Sintering, Laminated Object Manufacturing, Fused Depostion Modelling, Solid Ground Curing sowie 3D-Druckähnliche Verfahren umfassen.
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Mit der Fertigungsvorrichtung 10 kann so schichtweise als Werkstück ein Drucksensormesselement 66 hergestellt werden, das im Folgenden anhand der verbleibenden Figuren näher erläutert wird.
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2 zeigt eine bevorzugte Anwendung des Drucksensormesselements 66.
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Wie in 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.
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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.
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Ebenfalls eignen sich derartige Druckmesssensorelemente 66 auch für Messungen an korrosiven Medien wie diese unter anderem auch in der Prozesstechnik in der Chemie vorkommen.
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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.
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Bezugnehmend auf die 3 bis 5 wird eine Ausführungsform des Drucksensormesselements 66 beschrieben, das mit dem zuvor in Bezug auf 1 beschriebenen Fertigungsvorrichtung 10 herstellbar ist.
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Wie aus den 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.
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Die Druckmesszelle 68 weist eine Membran-Stößel-Einheit 114 und eine Hülse 94 auf. Die Membran-Stößel-Einheit 114 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 112 derart verbunden ist, dass Bewegungen der Trennmembran 92 auf die zweite Membran 112 übertragen werden. Die Membrane 92, 112, der Stößel 108 bilden die Membran-Stößel-Einheit 114, die innerhalb der Hülse 94 untergebracht ist. Die Hülse 94 wird bei einer Ausgestaltung nicht nachbearbeitet.
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Das Kraftmesselement 88 ist insbesondere als Biegebalken 90 mit Dehnmessstreifen ausgebildet.
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Die Hülse 94 ist, wie in 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.
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Die Druckmesszelle 68 wird im Folgenden in Bezug auf 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 112 am zweiten Ende 72. Die Hülse 94 und der Stößel 108 weisen im inneren Bereich zwischen einer Außenwandung 110 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 112 befestigt.
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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 4 gezeigt, an zwei ringförmigen Schweißstellen 100 mit der Hülse 94 und der Membran 112 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.
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Im Bereich des ersten Endes 70 geht die Trennmembran 92 im äußeren radialen Umfang im Ringmembranbereich 118 in die Wandung der Hülse 94 über. Bei der Membran 112 am zweiten Ende 72 verhält es sich analog hierzu.
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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.
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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.
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5 zeigt einen gegenüber 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.
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6 zeigt die gleiche Schnittebene wie 5. Im Unterschied zu 5 ist nun in 6 das zusätzliche Sensorelement 122 in den Kanal 120 des Stößels 108 der Druckmesszelle 68 eingeführt.
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In einem Trennmembran-Stößel-Übergangsbereich 116 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.
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Die Herstellung der Dichtigkeit kann durch Verbinden von Sensorspitze 130 und Trennmembran 92 erfolgen, beispielsweise durch Schweißen.
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Die Sensorspitze 130 ist somit nahe dem Messraum 74 positioniert, was zum Beispiel die Brennraumtemperatur TB 78 des Brennraums 76 darstellen kann.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine zweite Ausführungsform ist in 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.
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11 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.
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Weitere Ausgestaltungen der Strukturelemente 136 von Hülse 94 und Stößel 108 sind in den 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 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 12 weist der Stößel in 13 weitere Rippen 138 auf.
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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.
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Insbesondere bei Verwendung von Edelstahl eignen sich die Edelstahlsorten mit der Werkstoffnummer 1.4542 und 1.4548 zur Verwendung für ein Drucksensormesselement.
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Ein wichtiger Aspekt der Erfindung betrifft die Kombination von wenigstens zwei Sensoren. Dadurch wird ein Kombisensor geschaffen, welcher Druck und Temperatur misst.
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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.
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Das generativen Fertigungsverfahren bietet insbesondere Vorteile, die im Folgenden erläutert werden.
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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.
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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.
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Eine weitere Möglichkeit ist, Kanäle für Leitungen, wie insbesondere einem Thermoelement oder dergleichen herzustellen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine weitere, alternative Ausführung beinhaltet, dass das Pulvermaterial 21 in dem Sensor verbleibt.
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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.
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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.
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An der Trennmembran 92 können auch andere Nachbearbeitungsschritte durchgeführt werden. Die Membrandicke der Trennmembran 92 sollte eingehalten werden.
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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.
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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 .
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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 ΔT
- 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
- 110
- Außenwandung des Stößels
- 112
- Membran (brennraumabgewandt)
- 114
- Membran-Stößel-Einheit
- 116
- Trennmembran-Stößel-Übergangsbereich
- 118
- Ringmembranbereich
- 120
- Kanal
- 122
- Sensorelement
- 124
- Signalleitung
- 126
- Anschlussleitung
- 128
- Leitungsdurchgangsöffnung
- 130
- Sensorspitze
- 132
- Öffnung für Sensor
- 134
- Hitzeschild
- 136
- Strukturelement
- 138
- Rippe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/149501 A1 [0001, 0002, 0003, 0095]
