DE19909871A1 - Verschleißanzeige - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verschleißanzeige für ein verschleißbehaftetes Material, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus einer Mikrokapseln enthaltenden Schicht besteht, daß bei Beschädigung dieser Schicht mindestens ein in den Mikrokapseln enthaltender Wirkstoff freigesetzt wird, daß für die Detektion des Wirkstoffs ein automatisierbarer Detektor vorgesehen ist. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Verschleißkontrolle bei Bauteilen oder Werkstücken hoher Maßhaltigkeit wie zum Beispiel Präzisionsbohrer oder hochpräzise arbeitende Umformwerkzeuge.
Description
Die Erfindung betrifft eine Verschleißanzeige nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Verschleißkontrolle bei Bauteilen oder
Werkstücken hoher Maßhaltigkeit wie zum Beispiel Kolbenstangen für Hydraulikeinsätze
oder hochpräzise arbeitende Umformwerkzeuge.
Eine Vielzahl von Materialien unterliegt im normalen Betrieb einem erheblichen
Verschleiß. Der Verschleiß gefährdet die ihnen zugedachte Aufgabe, beeinträchtigt ihre
Zuverlässigkeit, und begrenzt ihre Lebensdauer.
Es ist bekannt, verschleißbehaftete Materialien wie zum Beispiel Werkzeuge oder
Bauteile mit Verschleißschutzschichten zu versehen. Häufig wird deren Verschleiß durch
den Einsatz von Schmiermitteln wie zum Beispiel Schmieröl verringert. Dies steigert
zwar die Lebensdauer der Verschleißschutzschicht, die Gefahr einer Beschädigung des
zu schützenden Materials besteht jedoch weiterhin.
Insbesondere bei hochwertigen, hochbelasteten Teilen oder bei Oberflächen mit
geringer Maßtoleranz ist es wegen dieser Gefahr erforderlich, den Zustand der
Verschleißschutzschicht regelmäßig zu kontrollieren.
Bekannt ist ein Verfahren, bei dem entweder in das zu schützende Material oder in die
darauf befindliche Verschleißschutzschicht radioaktive Bestandteile eingebaut sind. Die
bei Reibung anfallenden Produkte werden an anderer Stelle gesammelt, wobei
fortwährend die Zunahme der Radioaktivität mit der Radionuklidmethode gemessen
wird. Die insgesamt gemessene Radioaktivität erlaubt dann einen Rückschluß auf den
Verschleißzustand des Systems. Das beschriebene Verfahren ist zwar sehr genau,
allerdings auch sehr kostenintensiv. Zudem ist es für den industriellen Masseneinsatz
wegen der radioaktiven Kontamination und der damit verbundenen Gefahren für Mensch
und Umwelt kaum am Markt durchsetzbar.
Zur optischen Kontrolle des Verschleißzustandes ist die Nutzung eines zweifarbigen
Schichtsystems bekannt. Ein Beispiel hierfür ist goldfarbenes TiN als
Verschleißschutzschicht, sowie eine Ni-Schicht als darunterliegende Zwischenschicht.
Ist die TiN-Schicht partiell entfernt gibt es einen farblichen Unterschied. Die
Zwischenschicht kann hier als eine verschleißanzeigende Schicht bezeichnet werden,
bei deren eigenem Verschleiß sich eine Kenngröße ermitteln läßt. Diese Kenngröße,
vorliegend der optische Farbeindruck, erlaubt dann einen Rückschluß auf den
Verschleißzustand des Systems. Dieses Schichtsystem erfordert in regelmäßigen
Intervallen eine Sichtkontrolle durch Servicepersonal. Dies führt jedoch zu einem
unerwünschten Stillstand der Maschine um die entsprechenden Arbeiten durchführen zu
können. Ein korrektes Kontrollergebnis hängt dabei stark von der Zuverlässigkeit des
Servicepersonals ab und kann bei schwer zugänglichen Stellen fraglich sein. Ein
erheblicher Nachteil besteht darin, daß die Verschleißüberwachung nicht dauerhaft
erfolgen kann, so daß insbesondere bei hochbeanspruchten Teilen die Kontrolle häufig
erst dann erfolgt, wenn das zu schützende Material bereits beschädigt ist.
In der US 4,604,604 wird der Einsatz eines sichtbaren oder riechbaren Wirkstoffs bei
Automobilbremsen vorgeschlagen, der bei entsprechendem Verschleiß der Bremse
freigesetzt wird. Der Wirkstoff wird dabei entweder als Schicht zwischen Bremsbacke
und Bremsbelag aufgesprüht, oder in großen, den Wirkstoff enthaltenden Kapseln an
bestimmten Stellen der Bremsfläche eingebettet. Über eine durch Servicepersonal
durchzuführende Sicht- oder Geruchskontrolle kann dann der Verschleißzustand der
Bremse festgestellt werden. Dieser Lösung weist die gleichen Nachteile wie ein
zweifarbiges Schichtsystem auf. Werden die in der US 4,604,604 vorgeschlagenen,
Millimeter- bis Zentimeter großen Kapseln eingesetzt, so ist zudem eine spezielle
Anpassung des Bauteils zur Aufnahme der Kapsein erforderlich was die
Herstellungskosten der Bauteile erheblich verteuert. Weiterhin ist dieses Vorgehen nur
bei Materialien mit einfacher Oberflächenstruktur handhabbar. Bei komplizierten
Oberflächengeometrien lassen sich derartige Wirkstoffkapseln nicht einsetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die nach dem Stand der Technik bekannten
Nachteile für Verschleißanzeigen zu überwinden und hierfür eine kostengünstige
Alternative zu anzubieten. Es soll eine Verschleißanzeige bereitgestellt werden welche
sich relativ einfach herstellen läßt, welche den Einsatz von Verschleißschutzschichten
weiterhin zuläßt, und welche ökologisch unbedenklich ist. Insbesondere soll auf den
Einsatz radioaktiver Komponenten verzichtet werden.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, daß die Verschleißanzeige eine automatisierbare
Kontrolle des Verschleißzustandes zuläßt. Es soll der Einsatz von Servicepersonal
entbehrlich werden und zudem sichergestellt werden, daß die erfolgte Anzeige von
kritischem Verschleiß stets dann erfolgt, wenn das zu schützende Material noch keinem
Verschleiß ausgesetzt ist.
Ferner besteht die Aufgabe darin, daß die Verschleißkontrolle nicht nur auf optischem
Wege, per Geruchssinn, oder durch Messung der Radioaktivität erfolgen kann damit ein
möglichst universeller und flexibler Einsatz der Verschleißanzeige möglich ist.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß sich die Nachteile nach dem Stand der Technik
dadurch überwinden lassen, daß eine Verschleißanzeige gewählt wird, die aus einer
verschleißanzeigenden Schicht und einem Sensor besteht, wobei die
verschleißanzeigende Schicht Mikrokapseln enthält. Bei Beschädigung der
mikrokapselhaltigen Schicht wird mindestens ein in den Mikrokapseln enthaltender
Wirkstoff freigesetzt, und der Sensor detektiert mindestens eine Kenngröße dieses
freigesetzten Wirkstoffs. Bei Detektion der Kenngröße wird ein Signal ausgegeben was
den Anwender über den kritischen Verschleißzustand informiert. Der Verschleißzustand
kann dabei dann als kritisch angesehen werden, wenn die Kenngröße erstmalig
zuverlässig detektiert wird.
Das Prinzip der erfindungsgemäßen Verschleißanzeige ist in Fig. 1a und Fig. 1b
dargestellt. Das verschleißbehaftete Material (1) ist mit einer Mikrokapseln enthaltenden
Schicht (2) versehen. Fig. 1a zeigt das verschleißbehaftete Material (1) im noch
unbeschädigten Zustand, was an dessen gleichmäßiger Dicke zu erkennen ist.
Unterhalb der verschleißanzeigenden Schicht (2) befindet sich das vor Verschleiß zu
schützende Material (3). Fig. 1b zeigt das System bei erfolgtem Verschleiß. Das
Material (1) zeigt eine Beschädigung, ebenso wie die verschleißanzeigende Schicht (2).
Deren Beschädigung führt zu einer Freisetzung des in den Mikrokapseln enthaltenen
Wirkstoffs (4) welcher von einem Detektor bzw. Sensor (5) erfaßt wird. Bei einer
automatisierten Verschleißanzeige gibt der Sensor (5) bei Detektion des Wirkstoffs (4)
selbstätig ein Signal aus welches die erfolgte Beschädigung anzeigt. Bei
nichtautomatisierter Betriebsweise ist eine Detektion durch Servicepersonal erforderlich.
Der oder die verwendeten Wirkstoffe sind mikroverkapselt in der verschleißanzeigenden
Schicht (2) enthalten, welche eine Dicke von ca. 1 µm bis 50 µm aufweist. Die
Mikrokapseln haben einen Durchmesser von ca. 0,5 µm bis 5 µm sind mit einer Hülle
aus Kunststoff versehen. Dies erlaubt die Aufnähme nahezu beliebiger Wirkstoffe die auf
den jeweiligen Einsatz des verschleißbehafteten Materials hin maßgeschneidert werden
können. Die Wirkstoffe 2 können fest, flüssig oder gasförmig sein. Die in den
Mikrokapseln enthaltenen Partikel weisen einstellbare Partikeldurchmesser von ca. 0,3
µm bis 5000 µm auf. Die Abscheidung von mikrokapselhaltigen Schichten kann
galvanisch oder stromlos als Dispersionsschicht metallischen Charakters erfolgen. Die
Partikel lassen sich in alle abscheidbaren Metalle einbetten, so zum Beispiel in Cu, Ni,
Cr, oder Edelmetallen. Die metallische Matrix beherbergt dann die Mikrokapseln deren
galvanische Codeposition in der Literatur bereits beschrieben ist. Eine Abscheidung als
Dispersionslack ist ebenfalls möglich. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die
mikrokapselhaltige Schicht selbst kleine Reibwerte gegenüber dem Reibpartner
aufweist, da sie dann sowohl ihre Indikatorfunktion hinsichtlich des Verschleißes erfüllt,
und gleichzeitig verschleiß-hemmende Schicht ist. Dies kann zum Beispiel dadurch
erfolgen, daß Teile der Kapseln ein Schmiermittel enthalten.
Zur Detektion kommen eine Vielzahl von Sensoren in Betracht. Der jeweilige Detektor
bestimmt sich maßgeblich nach dem verwendeten Wirkstoff. Optische und
photometrische Detektoren bieten sich zum Beispiel an, wenn der Wirkstoff
charakteristische Strahlung emittiert. Bei enzymatischen Wirkstoffen bieten sich
elektrochemische Sensoren auf der Basis von Enzymelektroden und
Feldeffekttransistoren an, bei denen der oder die Wirkstoffe selektiv mit den Enzymen
reagieren und ein entsprechendes Signal liefern. Insbesondere wenn die Wirkstoffe in
einer den reibenden Bereich umgebenden Flüssigkeit als freie Ionen vorkommen,
können ionenselektive Elektroden in Betracht kommen. Derartige Elektroden sind
prinzipiell mit einer ionenspezifischen Membran aufgebaut und sprechen besonders auf
einwertige Metallionen an. Die in den genannten Beispielen vom Sensor detektierten
Kenngrößen sind dann die elektromagnetische Strahlung, Moleküle bzw. Ionen. Auch
ein piezoelektrischer Sensor oder andere Sensoren zur Detektierung anderer
Kenngrößen können eingesetzt werden.
Durch eine geeignete Kombination von Wirkstoff und Detektor ist vorteilhafterweise ein
automatisierbare Verschleißkontrolle möglich. Diese erfolgt zweckmäßigerweise auch
dauerhaft um eine Beschädigung des zu schützenden Materials auszuschließen. Der
Einsatz einer mikrokapselhaltigen Schicht zur dauernden Kontrolle des Verschleißes
vermeidet mit Vorteil den Einsatz radioaktiver Substanzen.
Durch die nahezu unbegrenzte Vielfalt an einsetzbaren Wirkstoffen ist die
erfindungsgemäße Verschleißanzeige universell einsetzbar. Sie ist nicht nur auf optisch
oder mit dem Geruchsinn feststellbarer Wirkstoffe beschränkt, und auch nicht auf
radioaktive Substanzen. Darüber erschließt sich neue Anwendungsgebiete:
- - In ölgeschmierten Systemen können Wirkstoffe eingesetzt werden, die sich in der chemischen Zusammensetzung deutlich vom Öl unterscheiden.
- - In trockenen Systemen können Wirkstoffe eingesetzt werden, die sich gasförmig detektieren lassen.
- - Bei fehlertoleranten Systemen lassen sich kostengünstige Wirkstoffe und Detektoren verwenden, bei empfindlichen Systemen werden Detektoren eingesetzt, die eine Erfassungsgrenze im ppb-Bereich haben.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Mikrokapseln
enthaltenden Schicht für die Verschleißanzeige von besonderer Bedeutung. Besonders
günstig ist die Verwendung einer galvanisch oder stromlos abgeschiedene
Dispersionsschicht oder eines Dispersionslacks.
Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens soll die erfindungsgemäße
Verschleißanzeige anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Verschleißanzeige ist insbesondere da sinnvoll, wo
eine sehr präzise Maßhaltigkeit gefordert ist, so zum Beispiel Kolbenstangen für
Hydraulikeinsätze. Diese Kolbenstangen werden entweder sehr häufig kontrolliert oder
sehr frühzeitig ausgewechselt. Derartige Kolbenstangen werden mit einer galvanisch
abgeschiedenen, 30 µm dicken verschleißanzeigenden Ni-Schicht versehen. Diese
beherbergen ca. 3 µm dicke Mikrokapseln mit einer Hülle aus Melanin-Formaldehyd,
welche mit Schwefelhexafluorid gefüllt sind. Die Kolbenstangen werden zusätzlich
hartverchromt. Bei Beschädigung der verschleißanzeigenden Schicht wird das leicht
detektierbare Schwefelhexafluorid freigesetzt und detektiert.
Die erfindungsgemäße Verschleißanzeige kann ebenfalls bei Umformwerkzeugen
genutzt werden, die Bauteile hoher Maßhaltigkeit herstellen, z. B. in der Luft- und
Raumfahrtindustrie. Auch hier ist das präzise Maß durch die Dicke der
Verschleißschutzschicht vorgegeben. Durch Abtragen der Verschleißschutzschicht
werden in der verschleißanzeigenden Schicht die Mikrokapseln mit einem detektierbaren
Wirkstoff freigesetzt. Durch das Trennmittel wird der Wirkstoff abtransportiert und kann
an einem für den Sensor geeigneten Platz detektiert werden. Bei Detektion der
Kenngröße des Wirkstoffs bzw. des Wirkstoffs selbst wird ein Signal ausgegeben, daß
das Umformwerkzeug gewartet werden muß.
Claims (11)
1. Verschleißanzeige, mit einer verschleißanzeigenden Schicht und einem Sensor,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Mikrokapseln enthaltende Schicht vorgesehen
ist, daß bei deren Beschädigung mindestens ein in den Mikrokapseln enthaltender
Wirkstoff freigesetzt wird, und daß ein Sensor zur Detektierung mindestens einer
Kenngröße dieses freigesetzten Wirkstoffs vorgesehen ist.
2. Verschleißanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein
automatisierbarer Detektor vorgesehen ist.
3. Verschleißanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
dauerhafte Detektion durch den Sensor vorgesehen ist.
4. Verschleißanzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Mikrokapseln enthaltende Dispersionsschicht vorgesehen ist.
5. Verschleißanzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Detektor zur Erfassung physikalischer Kenngrößen des Wirkstoffs
vorgesehen ist.
6. Verschleißanzeige nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor
ein optischer: Sensor oder ein piezoelektrischer Sensor ist.
7. Verschleißanzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Detektor vorgesehen ist, welcher chemische Veränderungen durch den
Wirkstoff erfaßt.
8. Verschleißanzeige nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Detektor ein elektrochemischer Sensor oder eine ionenselektive Elektrode
ist.
9. Verwendung einer Mikrokapseln enthaltenden Schicht für eine Verschleißanzeige
nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8.
10. Verwendung einer Mikrokapseln enthaltenden Schicht nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich um eine galvanisch oder stromlos abgeschiedene
Dispersionsschicht handelt.
11. Verwendung einer Mikrokapseln enthaltenden Schicht nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich um einen Dispersionslack handelt.
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