DE102006062373A1

DE102006062373A1 - Steuerblock in metallischer Leichtbauweise

Info

Publication number: DE102006062373A1
Application number: DE102006062373A
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr.-Ing. Habil. Hufenbach; Olaf Dipl.-Ing. Helms
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Airbus Operations GmbH; Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Steuerblock in metallischer Leichtbauweise zur Realisierung einer pneumatischen oder hydraulischen Schaltung, aufweisend ein System von Schaltungselementen wie Kanäle, Anschlüsse, Ventilsitze, Dichtflächen und Montageschnittstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungselemente als Kavitäten (2), Rohrleitungen (3) und Verzweigungen (7) mit belastungsgerechten Wandungen ausgeführt sind, die direkt oder mit weiteren Elementen wie Streben (8) und/oder Rippen (9) zu einer zusammenhängenden Struktur verbunden und sämtlich durch ein generatives Fertigungsverfahren erzeugt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Steuerblock in Leichtbauweise nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Wettbewerbsfähigkeit vieler Hydraulikkomponenten für Luft- und Raumfahrtanwendungen wird maßgeblich durch die Realisierung innovativer Leichtbaukonzepte bestimmt. Massiv ausgeführte Hydraulik-Steuerblöcke bieten hier zwar die Möglichkeit, auf engem Bauraum komplexe hydraulische Schaltungen für Steuer- und Regelaufgaben zu realisieren, jedoch weisen diese bislang vorwiegend spanend hergestellten Komponenten in der Regel fertigungsbedingte Materialanhäufungen auf, die nicht zur Bauteilfestigkeit beitragen.
In den herkömmlichen Steuerböcken, die durch spanende Bearbeitung von metallischen Halbzeugen hergestellt werden, verbleiben fertigungsbedingt große Werkstoffmengen ohne hydraulische oder strukturmechanische Funktion. Das Entfernen dieser Volumen mit spanabtragenden Verfahren ist wegen der häufig komplexen Leitungsführung kaum möglich.
Die Leitungsführung setzt sich im klassischen Steuerblock aus einzelnen zylindrischen Bohrungen zusammen, die sich im Bereich von Umlenkungen und Knotenpunkten überschneiden. Diese Überschneidungsbereiche sind daher scharfkantig und führen zu erheblichen Druckverlusten bei höheren Volumenströmen.
Da alle Leitungen von außen gebohrt werden müssen, ist die Gestaltungsfreiheit bei der Umsetzung von hydraulischen Schaltplänen in Steuerblöcken stark eingeschränkt. Die „Packungsdichte" für Leitungen und Anschlüsse ist hierbei typischerweise gering, was zu unnötigem Bauraumbedarf und Bauteilgewicht führt.
Steuerblöcke werden alternativ auch aus metallischem Blockmaterial gefertigt. In Abhängigkeit vom jeweils spezifizierten Fluiddruck kommen insbesondere Stahl-, Aluminium- und Titanwerkstoffe zum Einsatz. In das etwa quaderförmige Blockmaterial werden durch Bohren, Fräsen, Senken und Reiben Hydraulikleitungen, Ventilsitze und Dichtnuten eingebracht. Da häufig einzelne Leitungsabschnitten nicht durch eine der Anschlussöffnung gebohrt werden können, entstehen Öffnungen, die anschließend wieder verstopft werden müssen. So ist beispielsweise aus der DE 20 2005 020 534 U1 eine einstückige Grundplatte zur fluidischen Anbindung von Ventilen bekannt. Diese umfasst einen Grundkörper, im Wesentlichen hergestellt aus einem für ein formgebundenes Fertigungsverfahren wie Spritzguss oder Druckguss geeigneten Material wie Kunststoff oder Aluminium, in dem mindestens ein Längskanal zum Zu- und/oder Abführen eines Druckmittels ausgebildet ist und mehrere entlang dem Längskanal angeordnete Ventilplätze aufweist.
Es können die einzelnen Schichten des Bauteils Steuerblock auch aus dünnen Blechen etwa mittels Laser- oder Wasserstrahlschneiden hergestellt werden. Diese Blechteile können dann geschichtet und zu einem räumlichen Körper etwa durch Löten verbunden werden. So ist beispielsweise aus der DE 19 942 914 A1 ein Gehäuse für zumindest ein hydraulisches Ventil bekannt. Das Gehäuse besteht aus mehreren plattenartigen Segmentblechen, die miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Es sind zwei Gruppen von Segmentblechen vorgesehen, die eine der Funktion und Lage im Gehäuse entsprechende Verschleißfestigkeit aufweisen.
Als logische Weiterentwicklung der schon länger bekannten „Rapid Prototyping"-Technologien entstanden in den letzten Jahren einige „Rapid Tooling"- und „Rapid Manufacturing"-Technologien, die die generative Herstellung von hochbeanspruchten metallischen Bauteilen erlauben. Gemeinsames Grundprinzip der generativen Fertigungsverfahren ist der schichtweise Aufbau eines Werkstücks etwa aus Metallpulver oder aus dünnen Blechen durch stoffschlüssiges Fügen.
Zu den bekannten generativen Verfahren gehört das „Selektive Laser Sintern". Dabei wird auf einer Arbeitsfläche in dünnen Schichten Metallpulver aufgetragen. Nach jedem Schichtauftrag wird das Pulver der obersten Schicht mittels Laser-Strahlung in der schichtspezifischen Kontur der Bauteilgestalt verschweißt. Dabei verbinden sich auch die einzelnen Bauteilschichten miteinander zu einem räumlichen Körper. Über schüssiges, nicht verschweißtes Pulver verbleibt bei Entnahme des Bauteils in der Anlage für weitere Prozesse.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer neuen Bauweise und der Ausnutzung von geeigneten Fertigungsverfahren für einen leichten, bauraumoptimierten und verlustarmen Steuerblock zur Realisierung einer pneumatischen oder hydraulischen Schaltung.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Steuerblock mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Mittels eines generativen Fertigungsverfahrens erfolgt die Herstellung der einzelnen Schaltungselemente mit komplexer Gestalt und somit eines gewichts-, bauraum- und strömungsoptimierten erfindungsgemäßen Steuerblockes. Der Werkstoff wird dabei im Wesentlichen rohrleitungsartig um die benötigten Kavitäten, Rohrleitungen und Verzweigungen mit einer definierten Wandstärke sowie zur Bildung von Ventilsitzen, Anschlüssen, Dichtungsnuten und Montageschnittstellen angeordnet. Zusätzlich werden erforderliche Elemente integriert, die zur Verstärkung des so entstehenden stark zergliederten Volumenkörpers dienen.
Die Elemente zur Verstärkung können etwa ein stab- oder rahmenartiges Tragwerk bilden. Das Tragwerk kann vorteilhaft in einem Gehäuse angeordnet werden. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Steuerblock auch durch ein System aus großflächigen Verstärkungselementen, die sich wie Stützwände durch den Steuerblock ziehen, zu einer robusten Hydraulikkomponente ergänzt werden.
Ein generatives Fertigungsverfahren gestattet eine besonders strömungsgünstige Leitungsführung mit geeigneten Radien und Querschnittsverläufen. Fertigungsbedingte Zusatzbohrungen werden damit nicht mehr benötigt.
Lediglich die Funktionsflächen wie etwa Dicht-, Gleit- und Montageflächen sind wegen der häufig bei generativ gefertigten Bauteilen größeren Oberflächenrauhigkeit nach der Bauteilgenerierung noch spanend zu bearbeiten.
Abhängig vom gewählten generativen Fertigungsverfahren, so z. B. vom Sinterverfahren und vom Pulver-Werkstoff, entsteht ein Bauteil mit Poren an der Oberfläche. Um die Oberfläche schließen zu können, können mediendichte, vorzugsweise metallische Beschichtungen nachträglich aufgebracht werden.
Mittels der Erfindung lässt sich eine erhebliche Gewichtseinsparung, Reduzierung des Bauraumbedarfs und Reduzierung von Druckverlusten gegenüber herkömmlichen Steuerblöcken, die lediglich durch spanende Fertigungsverfahren hergestellt werden, erreichen. Die erfindungsgemäßen Steuerblöcke lassen sich durch automatisierte Fertigungsprozesse herstellen.
Gegenüber hydraulischen Steuereinheiten, die aus einzelnen Rohrsegmenten zusammengesetzt sind, besteht der Vorteil, dass keine zusätzlichen Kleb-, Löt- und Schweißverbindungen benötigt werden, deren Qualität schwer zu prüfen ist.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung von grundlegenden Schaltungselementen eines Hydraulik-Steuerblocks in Leichtbauweise, die durch generative Fertigungsverfahren hergestellt sind
2 eine schematische Darstellung von grundlegenden Schaltungselementen eines Hydraulik-Steuerblocks in Leichtbauweise, die durch generative Fertigung und spanende Nachbearbeitung hergestellt sind
3 eine perspektivische Darstellung eines Steuerblocks in Leichtbauweise zur Aufnahme von zwei Einbauventilen
4 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Steuerblocks in Leichtbauweise zur Aufnahme von zwei Einbauventilen
5 eine Seitenansicht und eine geschnittene Draufsicht eines Steuerblocks in Leichtbauweise zur Aufnahme von zwei Einbauventilen
6 eine perspektivische Darstellung eines Steuerblocks in Leichtbauweise mit integrierten Verstärkungsrippen
1 zeigt einige grundlegende Schaltungselemente eines Steuerblocks in Leichtbauweise. Dazu zählen insbesondere generativ gefertigte Rohrleitungselemente mit integrierter Rohrleitung 3, die im Gegensatz zu gebohrten Leitungen bei klassischen Steuerblöcken mit unterschiedlichen Radien gekrümmt ausgeführt werden können (1a). Bei hydraulischen Schaltungen sind Verzweigungen 7 erforderlich, die besonders strömungsgünstig mittels generativer Fertigungsverfahren hergestellt werden können (1b). Um besonders schlanke Rohrleitungssektionen abzustützen, können Rippen 9 integriert werden, die das Rohrleitungssystem fachwerkartig verstärken.
In 2 sind ausgewählte Schaltungselemente dargestellt, die nach der generativen Fertigung einer spanenden Endbearbeitung unterzogen werden. Dabei zeigt 2a einen Leitungsanschluss mit präziser Anlagefläche und einer Nut 4 für einen Dichtring. Sacklöcher für Gewindebohrungen können schon bei der generativen Fertigung berücksichtigt werden. Anschließend werden Gewinde in die Gewindebohrung 6 geschnitten und Montageflächen nachgearbeitet (2b). Für durchgehende Verschraubungen sind Durchgangslöcher 5 vorzusehen, die die Schrauben-Vorspannkräfte sicher aufnehmen. Für den Schraubenkopf sind geeignete Anlageflächen herzustellen (2c). Die Kavitäten 2 für spezielle Einbauventile werden durch spezielle Kontur-Werkzeuge spanend endbearbeitet (2d).
3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung eines Steuerblocks in Leichtbauweise mit Kavitäten 2 zur Aufnahme von zwei Einbauventilen. Hier kommen etwa entsperrbare Rückschlagventile zum Einsatz, mit denen ungewollte Fahrbewegungen bei Hydraulikzylindern unterdrückt werden können. Ein offenes Gehäuse 1 bietet auf vier Seiten Montageflächen und hydraulische Anschlussöffnungen. Die übrigen Seiten können offen gestaltet werden, wodurch nach der generativen Fertigung (etwa mittels Laser-Pulver-Sintern) überschüssiges Pulver entfernt werden kann. Diese Seiten können nach Bedarf mit Blenden verschlossen werden. Weiterhin dargestellt sind verschiedene integrierte Rohrleitungen 3, integrierte Durchgangslöcher 5 und spanend endgefertigte Nuten 5 für O-Ringe.
In den Schnittdarstellungen 4 und 5 wird die Lage und der Anschluss der Kavitäten 2 für die Einbauventile deutlich. Die Wandstärken der einzelnen Rohrleitungen 3 werden beanspruchungsgerecht in Abhängigkeit von Werkstoff, hydraulischen Drücken und vom Innendurchmesser der Rohrleitung festgelegt. Eine Minimierung des Bauteilvolumens führt hierbei zur Reduzierung des Bauteilgewichts und der Fertigungskosten.
In 6 ist ein Steuerblock in Leichtbauweise dargestellt, bei dem das Rohr- und Kavitätensystem im Gehäuse 1 durch integrierte Rippen 9 verstärkt ist. Die Rippen 9 können dabei regelmäßig oder nach Gesichtspunkten lokaler Beanspruchung angeordnet werden. Neben rechtwinkligen Rippensystemen bieten sich auch wabenförmige Verstärkungen an. Alternativ zur Verrippung des Steuerblocks kann das freibleibende Volumen innerhalb des Gehäuses 1 mit gießfähigem Füllmaterial geschlossen werden. Hierfür eignen sich etwa glaskügelchengefüllte Kunstharze.

1: Gehäuse
2: Kavität
3: integrierte Rohrleitung
4: Nut
5: Durchgangsloch
6: Gewindebohrung
7: Verzweigung
8: Strebe
9: Rippe

Claims

Steuerblock in metallischer Leichtbauweise zur Realisierung einer pneumatischen oder hydraulischen Schaltung, aufweisend ein System von Schaltungselementen wie Kanäle, Anschlüsse, Ventilsitze, Dichtflächen und Montageschnittstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungselemente als Kavitäten (2), Rohrleitungen (3) und Verzweigungen (7) mit belastungsgerechten Wandungen ausgeführt sind, die direkt oder mit weiteren Elementen wie Streben (8) und/oder Rippen (9) zu einer zusammenhängenden Struktur verbunden und sämtlich durch ein generatives Fertigungsverfahren erzeugt sind.
Steuerblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen der Kavitäten (2), Rohrleitungen (3) und Verzweigungen (7) zu einer selbsttragenden Struktur verbunden sind.
Steuerblock nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitäten (2), Rohrleitungen (3) und Verzweigungen (7) mit angrenzenden Elementen wie Streben (8) und/oder Rippen (9) eine zusammenhängenden Struktur bilden.
Steuerblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitäten (2), Rohrleitungen (3) und Verzweigungen (7) mit einem Gehäuse (1) eine zusammenhängen Struktur bilden und der Innenraum als Hohlraum ausgebildet ist.
Steuerblock nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im hohlen Innenraum Rippen (9) vorgesehen sind.
Steuerblock nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (9) ein stab- oder rahmenartiges Tragwerk bilden.
Steuerblock nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen der Kavitäten (2), Rohrleitungen (3) und Verzweigungen (7) eine lokale Verstärkung aufweisen.
Steuerblock nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der Wandungen von Kavitäten (2), Rohrleitungen (3) und Verzweigungen (7) mit einer mediendichten Beschichten versehen ist.
Steuerblock nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der als offene Hohlraum mit einem Füllmaterial geschlossen ist.