DE19909871A1 - Verschleißanzeige - Google Patents

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

Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

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.

Darstellung der Erfindung

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.