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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von ultraleichten und hochfesten Metallbauteilen für den Karosserie-, Maschinen- und Anlagenbau, sowie das Metallbauteil selbst. Ferner wird eine Metallpartikelzufuhrvorrichtung, die von der Herstellungsvorrichtung umfasst sein kann, offenbart.
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Die aktuellen Leichbaukonzepte im Fahrzeugbau beruhen einerseits auf der Verwendung massiver Werkstoffe geringer Dichte wie z. B. Leichtmetalle und Verbundwerkstoffe. Bauteile, die hochfeste Stähle erfordern, werden nach Möglichkeit mit dünnen Wandstärken eingesetzt. Nachteilig liegt dabei eine große Anzahl von zu fügenden Einzelteilen durch die unterschiedlichen Bauteilanforderungen vor. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Materialien werden komplexe Fügeverfahren benötigt, wobei Materialüberlappungen an den Fügestellen zu einem unnötigen Zusatzgewicht führen.
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Ein vielversprechendes Konzept für den Leichtbau sind beanspruchungsgerechte Materialstrukturen aus der Strukturbionik, die eine Vielzahl von Hohlräumen aufweisen und so ein optimales Verhältnis von Masse zu Festigkeit erreichen. Ferner bieten bionische Strukturen den Vorteil eines hohen Dämpfungsvermögens. Allerdings sind sie durch ihre unregelmäßige poröse Struktur aufwändig herzustellen und schwierig in der Formgebung.
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Zur Erzeugung von Hohlräumen in einem Bauteil sind für Kunststoffe Herstellungsanlagen bekannt, auch 3D Plotter genannt, die mit einem Aufschmelzverfahren arbeiten, wobei ein Thermoplastdraht gemäß der gewünschten Geometrie flüssig aufgetragen wird, wodurch Hohlräume möglich sind.
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Derartige Herstellungsverfahren bauen ein Bauteil schichtweise auf und gehören zu den Rapid Technologien (Rapid Prototyping, Rapid Manufacturing, Rapid Tooling, etc.) und werden auch als „generative” Verfahren bezeichnet.
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Um die generative Fertigung großer und flächiger Kunststoffbauteile zu ermöglichen, die mit gängigen Rapid-Prototyping-Verfahren nur kosten- und zeitaufwändig hergestellt werden können, beschreibt die
DE 10 2007 009 277 A1 die Herstellung von Bauteilen durch ein schichtaufbauendes Formgebungsverfahren mittels fließfähiger und aushärtbarer Stoffmischungen, bei denen es sich um gefüllte oder ungefüllte Kunststoffmischungen auf Basis von Thermoplasten oder Reaktionsharzen handelt. Es wird eine Abformgrundlage bereitgestellt, auf die streifenförmige Materialbahnen aus der fließfähigen aushärtbaren Stoffmischung aufgebracht werden, woraufhin das Starten des Aushärtevorganges der Materialbahnen erfolgt, ehe weitere streifenförmigen Materialbahnen aus der Stoffmischung auf die zumindest teilverfestigten streifenförmigen Materialbahnen aufgebracht werden. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine vorbestimmte Stoffdicke erreicht ist.
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Die Umsetzung von aus der Bionik bekannten porösen Leichbaukonzepten der Natur in Metall ist durch die herkömmlich verwendeten Herstellungsverfahren (z. B. Gießen, Umformen etc.) allerdings stark eingeschränkt.
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Ein weiteres generatives Rapid Prototyping-Verfahren, einsetzbar für Metalle, ist das selektive Lasersintern. Lasersintern ist ein Verfahren, bei dem ein pulverförmiges Material durch eine mittels der Laserenergie erzeugten Temperaturerhöhung zumindest angeschmolzen wird, so dass die einzelnen Partikel des Pulvers miteinander verkleben.
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Mit den hierfür bekannten Herstellungsanlagen werden Metallpulverschichten großflächig aufgestreut und dann partiell mittels Laser gesintert. Beispielsweise sind aus der
DE 100 07 711 C1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sintern eines Pulvers mit einem Laserstrahl bekannt. Die beschriebene Vorrichtung umfasst eine Einrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls, der auf eine Oberfläche des Pulvers an einer beweglichen Sinterstelle auftrifft, eine Einrichtung zum Erfassen der Temperatur des Pulvers in einer beweglichen Erfassungsfläche im Bereich der Sinterstelle und eine Einrichtung zur Regelung des Laserstrahls, die in Abhängigkeit von einem Signal der Einrichtung zum Erfassen der Temperatur des Pulvers die Leistung des Laserstrahls regelt. Zusätzlich weist die Vorrichtung eine Einrichtung zur Kompensation positionsabhängiger Fehler bei der Temperaturerfassung auf, die Fehlerquellen wie Veränderung der Geometrie der beweglichen Erfassungsfläche, chromatische Fehler bei der unterschiedlichen Bündelung von Laser- und Wärmestrahlung und Justierfehler bei der koaxialen Einstellung der Laser- und Wärmestrahlung in Abhängigkeit von der Position der Erfassungsfläche auf der Oberfläche des Pulvers berücksichtigt. Das in der
DE 100 07 711 C1 offenbarte Verfahren umfasst das Lenken des Laserstrahls auf eine bewegliche Sinterstelle auf einer Oberfläche des Pulvers und das Erfassen der Temperatur des Pulvers in einer beweglichen Erfassungsfläche im Bereich der Sinterstelle sowie das Regeln der Leistung des Laserstrahls in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur des Pulvers. Ferner erfolgt die Kompensation der genannten positionsabhängigen Fehler bei der Temperaturerfassung.
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Beim Lasersintern wird allerdings nur ein minimaler Anteil des eingesetzten Pulvers verschweißt, das restliche Pulver muss am Ende des Sinterprozesses aufwändig ausgeblasen bzw. abgesaugt werden. Die für den Leichtbau geforderten metallischen porösen Strukturen sind somit nicht herstellbar, da das nicht gesinterte Metallpulver in den Hohlräumen bleibt und somit keine Gewichtsreduzierung erfolgt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fertigungsverfahren zu schaffen, mit dem ein hochfestes Metallbauteil mit einem durch poröse Materialstrukturen erreichten minimalem Gewicht geschaffen werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Aufgabe, ein beanspruchungsgerecht ausgelegtes Leichtbauteil aus Metall bereitzustellen, das mit einem verringerten Fügeaufwand mit anderen metallischen Bauteilen verbunden wird, wird durch ein ultraleichtes und hochfestes Metallbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
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Die weitere Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein solches Bauteil hergestellt werden kann, wird durch die Herstellungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Die für den Herstellungsprozess erforderliche geordnete Zufuhr von Metallpartikeln wird durch eine Metallpartikelzufuhrvorrichtung mit den Merklmalen des Anspruchs 11 bereitgestellt.
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Weiterbildungen des Verfahrens, des Bauteils und der Vorrichtung und sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung poröser Metallbauteile mit beanspruchungsgerechter Struktur und mit möglichst geringem Gewicht. Dabei beginnt das generative Herstellungsverfahren mit der Bereitstellung von Metallpartikeln, wobei die einzelnen Metallpartikel geordnet jeweils zu einer vorbestimmten Ablegestelle zugeführt werden. Nach dem Ablegen eines ersten Metallpartikels an dessen vorbestimmten Ablegestelle (oder mehrerer erster Metallpartikel an deren vorbestimmten Ablegestellen) werden sukzessive weitere Metallpartikel an weiteren vorbestimmten Ablegestellen zum Aufbau der beanspruchungsgerechten Struktur des porösen Metallbauteils abgelegt. Beim Ablegen jedes weiteren Metallpartikels an dessen jeweiligen Ablegestelle wird zumindest einer der Fügepartner abzulegender Metallpartikel und bereits abgelegte Metallpartikel an der jeweiligen Ablegestelle zumindest teilweise angeschmolzen, so dass die Fügepartner abzulegender Metallpartikel und bereits abgelegte Metallpartikel an der jeweiligen Ablegestelle stoffschlüssig verbunden werden.
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So werden die Metallpartikel nacheinander in vorbestimmter Weise miteinander verbunden, so dass im Metallbauteil geschlossene Hohlräume direkt hergestellt werden können, wodurch das Metallbauteil mit einer porösen Struktur, die belastungsgerecht für das Bauteil ausgelegt ist, aufgebaut werden kann.
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Die zugeführten Metallpartikel können eine einheitliche (mittlere) Partikelgröße aufweisen, die in einem Bereich von 0,2 mm bis 2 mm liegt. Grundsätzlich ist zwar der Einsatz größerer, bzw. kleinerer Metallpartikel denkbar. Dabei ist allerdings zu beachten, dass bei Partikelgrößen über 2 mm die Porosität stark zunimmt, und der Gewichtsvorteil gegenüber einer massiven Bauweise aus Tiefziehblech gering wird. Bei Partikeln kleiner 0,2 mm ergeben sich sehr lange Plotzeiten, durch den kleinen Materialauftrag pro Ablegevorgang.
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Bevorzugt werden die Metallpartikel durch Umformen eines Metalldrahts bereitgestellt. Diese Umformung, die bevorzugt eine Kaltumformung sein kann, kann während der Zufuhr des Metalldrahts erfolgen, wobei die Partikelgröße der gebildeten Metallpartikel in zumindest einer Abmessung einer Stärke des eingesetzten Metalldrahts entspricht. Die Herstellung der Bauteile kann somit direkt aus Metalldraht erfolgen.
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Ferner können beim Ablegen der einzelnen Metallpartikel beide Fügepartner, sowohl der abzulegende Metallpartikel als auch die bereits abgelegten und stoffschlüssig verbundenen Metallpartikel an der jeweiligen Ablegestelle, zumindest teilweise aufgeschmolzen werden. Das Aufschmelzen und stoffschlüssig Verbinden kann bevorzugt mittels Lichtbogenschweißen, besonders bevorzugt im Hubzündverfahren erfolgen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren entstehen vorteilhaft keine prozessbedingten Abfälle, wie z. B Späne, Stanzabfälle, Angüsse etc.
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Das erfindungsgemäße Metallbauteil hat eine bionische poröse Struktur und kann durch das erfindungsgemäße generative Herstellungsverfahren hergestellt werden. Ein solches Metallbauteil hat den Vorteil eines verringerten Gewichts bei gleichzeitig gleichbleibender oder gar verbesserter Steifigkeit.
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Das Metallbauteil kann aus einem einheitlichen Metallmaterial oder mehreren gleichmäßig über das Bauteil verteilten Metallmaterialien bestehen, es kann aber auch zwei oder mehr Zonen aufweisen, die aus unterschiedlichen Metallmaterialien bestehen. Geeignete Metallwerkstoffe sind Stahl sowie ein Leichtmetallmaterial, bevorzugt auf Aluminiumbasis. Mit dem generativen Herstellungsverfahren können im Bauteil so stoffschlüssig verbundene Zonen unterschiedlichen Metallmaterials geschaffen werden. Der bislang erforderliche Fügeaufwand zwischen Bauteilabschnitten aus unterschiedlichen Materialien und die zum Fügen zumeist erforderliche Überlappung der Bauteilabschnitte können entfallen.
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Eine erfindungsgemäße Herstellungsanlage (auch als 3D-Plotteranlage bezeichnet) umfasst eine Abformgrundlage („den Plottertisch”) zur generativen Herstellung des porösen Metallbauteils mit beanspruchungsgerechten Struktur. Weitere Komponenten der Herstellungsanlage sind eine dreiachsige Hauptverfahreinheit, eine mit der Hauptverfahreinheit synchronisierte Nebenverfahreinheit, eine auf der Hauptverfahreinheit angeordnete Schweißstromversorgung, sowie eine Metallpartikelzufuhrvorrichtung, die über die Nebenverfahreinheit auf der Hauptverfahreinheit angeordnet ist. Die Herstellungsanlage umfasst weiterhin eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Hauptverfahreinheit, Nebenverfahreinheit, der Metallpartikelzufuhrvorrichtung und der Schweißstromversorgung, um die Metallpartikel von der Metallpartikelzufuhrvorrichtung mittels der Hauptverfahreinheit und Nebenverfahreinheit an den vorbestimmten Ablegestellen über der Abformgrundlage ablegen und verschweißen zu können. Durch die Trennung von Haupt und Nebeneinheit, kann die Nebeneinheit hochdynamisch gestaltet werden und damit Ablegefrequenzen von aktuell 100 Hz und höher erreichen.
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Die Metallpartikelzufuhrvorrichtung kann eine Zuführhülse zur exakten Zufuhr der Metallpartikel an der Ablegestelle und alternativ oder zusätzlich auch eine Umformeinrichtung zum Umformen eines Metalldrahts zu den Metallpartikeln umfassen. Zum Zuführen den Metalldrahts kann die Herstellungsanlage eine oder auch mehrere Metalldrahtquellen wie beispielsweise Drahtspulen oder -rollen aufweisen, um so auch Drähte unterschiedlicher Stärke oder unterschiedlichen Materials vorzuhalten, wobei die Metalldrahtquellen an oder auf der Hauptverfahreinheit angeordnet ist. Von der Metalldrahtquelle kann der Draht der Metallpartikelzufuhrvorrichtung zugeführt werden, die beispielsweise ein Walzenpaar (oder auch mehrere davon) als Vorschubeinrichtung für den Draht bzw. die Metallpartikel aufweisen kann. In einfacher Weise kann die Umformeinrichtung dabei durch profilierte Mantelflächen der Walzen gebildet werden.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Herstellungsanlage zumindest eine Kalibriereinheit für die Drahtzufuhr umfasst, die auf der Hauptverfahreinheit angeordnet ist, wobei der eingesetzte Draht von der Metalldrahtquelle über die Kalibriereinheit zu der Metallpartikelzufuhrvorrichtung zugeführt wird. Bevorzugt kann die Herstellungsanlage für eine größere Variabilität mehrere Kalibriereinheiten und Metallpartikelzufuhrvorrichtung für zumindest zwei Metallarten und/oder Drahtstärken umfassen.
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Bei der Hauptverfahreinheit kann es sich um einen Industrieroboter mit Bewegungsfreiheitsgraden in allen drei Raumrichtungen oder um ein Linearachsensystem mit einer x-Linearachse, einer y-Linearachse und einer z-Linearachse handeln. Wegen des Schweißvorgangs kann die Herstellungsanlage bevorzugt in einer Schutzatmosphärenkabine angeordnet sein.
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Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht die Herstellung genau geformter Metallbauteile ohne teilespezifische Werkzeuge oder Vorrichtungen.
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Schließlich dient eine erfindungsgemäße Metallpartikelzufuhrvorrichtung, die zum Einsatz in einer Herstellungsanlage mit einer Abformgrundlage zur generativen Herstellung eines porösen Metallbauteils mit einer beanspruchungsgerechten Struktur geeignet ist, der Bereitstellung vereinzelter Metallpartikel und deren geordneten Zufuhr zu einer Ablegestelle. Dazu umfasst die Metallpartikelzufuhrvorrichtung eine Umformeinrichtung zum Umformen eines Metalldrahts zu den Metallpartikeln und eine Vorschubeinrichtung für den Metalldraht bzw. die Metallpartikel. Beide Einrichtungen, Umformeinrichtung und Vorschubeinrichtung, können vorteilhaft durch ein einziges Paar aus Walzen bereitgestellt werden, die profilierte Mantelflächen aufweisen. Generell können die Umformeinrichtung oder die Vorschubeinrichtung oder beide auch durch mehr als ein Walzenpaar gebildet werden.
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Ferner umfasst die Metallpartikelzufuhrvorrichtung eine Zuführhülse, die stromabwärts der Vorschub- und Umformeinrichtung angeordnet ist, um die Metallpartikel exakt an einer Ablegestelle zuführen zu können.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
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Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Teilseitenschnittansicht der Metallpartikelzufuhrvorrichtung,
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2 eine Schrittfolge a) bis f) in schematischer Seitenschnittansicht des Sinterprozesses nach dem Hubzündverfahren,
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3 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Herstellungsanlage in Linearachsenaufbau,
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4 eine schematische um 90° versetzte Seitenansicht der Anlage aus 3,
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5 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Herstellungsanlage mit Industrieroboter,
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6 ein Seitenansicht eines einseitig fest gelagerten Rohrs mit einer am freien Ende angreifenden Biegekraft und den dadurch entstehenden Spannungen,
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7 eine Querschnittansicht eines massiv ausgeführten Rohrs mit auftretenden Kräften aus 6,
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8 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäß geplotteten Rohrs mit auftretenden Kräften aus 6,
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9 eine schematische Schnittansicht durch die Fügestelle A-Säule-Türscharnier nach Stand der Technik,
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10 eine schematische Schnittansicht durch die Fügestelle A-Säule-Türscharnier mit erfindungsgemäß geplotteter A-Säule,
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11 eine schematische Schnittansicht durch zwei mittels Punktschweißen gefügte Bleche unterschiedlicher Dicke nach Stand der Technik,
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12 eine schematische Schnittansicht durch ein geplottetes Bauteil mit stufenlosem Übergand der Dicke ohne Überstand,
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13 eine schematische Schnittansicht durch mittels Klebetechnik gefügte Bleche unterschiedlicher Materialien nach Stand der Technik,
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14 eine schematische Schnittansicht durch ein geplottetes Bauteil mit stufenlosem Übergand der Materialien ohne Überstand.
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Die Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren bzw. eine Fertigungsanlage, mit dem/der die Herstellung von hochfesten metallischen Bauteilen mit minimalem Gewicht durch poröse Materialstrukturen ermöglicht wird.
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Als poröse Metallstrukturen sind Metallschäume bekannt, die durch Poren und Hohlräume eine geringe Dichte und gleichzeitig eine hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit aufweisen. Als Ausgangsmaterial wird meistens Aluminium oder eine Aluminiumlegierung eingesetzt, da diese bereits eine sehr geringe Dichte aufweisen. Aber auch aus Kupfer, Zink, Blei oder Stahl/Eisen können Metallschäume hergestellt werden. Metallschäume haben ein gutes Energieabsorptionsvermögen, so dass Bauteile aus Aluminiumschäumen inzwischen als Crashschutzelemente im Automobilbau eingesetzt werden. In der Formgebung jedoch und auch in der belastungsgerechten Auslegung zur Bildung von Karosserieelementen sind Metallschäume in ihrer Anwendung begrenzt.
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Hochbelastbare, beanspruchungsgerechte Materialstrukturen mit Hohlräumen sind aus der Natur (z. B. Vogelknochen) bekannt, die ein optimales Masse/Festigkeitsverhältnis aufweisen. Die Strukturbionik gestattet die Übertragung der Strukturerkenntnisse aus der Natur auf Bauteile, um diese hochbelastbar jedoch durch die Hohlräume mit minimalem Gewicht auszulegen.
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Zur Schaffung solcher hochfesten gewichtsreduzierten metallischen Bauteile, das eine poröse vorzugsweise bionische Struktur aufweist, wird ein generatives Verfahren vorgeschlagen, das ein Aufschmelzverfahren mit einem Sinterprozess kombiniert.
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Ein Vergleich der bestehenden Aufschmelz- und Lasersintersysteme, die beide ein 3-Achsensystem verwenden, zeigt, dass die Technologie des Aufschmelzverfahrens mit der Verwendung einer Schmelzeinheit im Vergleich zu dem für das Lasersintern erforderliche Pulverauftragseinheit, dem geschlossenen Pulverbehälter, der Lasereinheit und der Pulverentfernung nach Fertigstellung deutlich einfacher.
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Während beim Aufschmelzverfahren auch geschlossene Hohlräume möglich sind, können beim Lasersintern nur offene Hohlräume geschaffen werden, die das Ausblasen des ungesinterten Metallpulvers gestatten. Ferner ist die Geschwindigkeit des Herstellungsprozesses beim Sinterverfahren abhängig von der Pulverauftragseinheit. Weitere Nachteile des Sinterverfahrens im Vergleich zu dem Aufschmelzverfahren liegen in dem hohen Wartungsaufwand durch die Pulverentfernung und Pulverreinigung sowie dem hohen Energieverbrauch durch Laseraufbereitung und das nachträgliche festsintern im Ofen.
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So ist das reine Sinterverfahren dem Aufschmelzverfahren im Hinblick auf die Genauigkeit zwar überlegen, es ist jedoch wegen des verbleibenden Metallpulvers nicht möglich, geschlossene Hohlräume herzustellen, und kann wegen der aufwändigen Pulverthematik nur zur Prototypherstellung in Betracht kommen.
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Die geringere Genauigkeit des Aufschmelzverfahrens beruht auf der undefinierten geometrischen Form beim Auftrag des schmelzflüssigen Materials.
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Allerdings ist das Aufschmelzverfahren durch seine einfache Technik für die Serienfertigung geeignet.
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Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht das Sintern bzw. Verschweißen von Metallpartikeln, z. B. Kugeln zu porösen Metallstrukturen, ohne diese schichtartig aufzustreuen. Ein Metallbauteil mit poröser Struktur kann damit ferner in einer gewünschten Geometrie geschaffen werden.
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Dabei werden in einem dem Sintern ähnlichen Verfahren kleinste Metallpartikel in einem digitalen Raster stoffschlüssig verbunden, d. h. gesintert bzw. verschweißt. Dabei ist die geordnete Zufuhr der Metallpartikel zum Sinterprozess von entscheidender Bedeutung. Für die geordnete Zufuhr der Metallpartikel wurde die Kaltumformung der Metallpartikel aus einem Metalldraht gewählt. Die Metallpartikel werden dann einzeln im Hubzündverfahren miteinander verschweißt.
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9 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Metallpartikelzufuhrvorrichtung 5, die in einer erfindungsgemäßen Anlage eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung 5 gestattet die geordnete Zufuhr von Metallpartikeln 11 zu der Ablegestelle 12, Die Vorrichtung 5 wird von den Verfahreinheiten der Anlage jeweils zur Ablage eines Metallpartikels 11 an die gewünschte Stelle 12 verfahren. Die in 1 gezeigte Metallpartikelzufuhrvorrichtung 5 umfasst neben der durch ein Paar von Walzen 51 gebildeten Vorschubeinrichtung eine Umformeinrichtung zum Umformen eines Metalldrahts 10 zu den Metallpartikeln 11. Die Umformeinrichtung wird dabei durch die profilierten Mantelflächen 52 der Walzen 51 gebildet, so dass diese gleichzeitig für den definierten Vorschub und die Umformung sorgen. Der zugeführte Metalldraht 10 wird in eine Kette aus Metallpartikeln 11 umgeformt, die im vorliegenden Beispiel noch durch einen verjüngten Drahtabschnitt verbunden sind. Anders als dargestellt kann auch eine mehrstufige Walz- und Vorschubeinheit eingesetzt werden, die beispielsweise mit einem Servoantrieb oder Schrittmotorantrieb betrieben werden können. Dadurch, dass die Metallpartikel 11 noch kettenartig verbunden sind, kann die Zufuhr an die Ablegestelle 12 einfach durch die Walzen-Vorschubeinheit geregelt werden. Der Vorschub findet sinnvollerweise synchronisiert mit den Verfahreinheiten statt, so dass immer ein Metallpartikel 11 zur Ablage an der vorbestimmten Ablagestelle 12 bereitsteht und so sukzessive das Metallbauteil 100 aus den abgelegten und stoffschlüssig verbundenen Metallpartikeln 11' aufgebaut wird.
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Für die exakte Zufuhr der Metallpartikel 11 an die Ablegestelle 12 kann die Vorrichtung 5 eine Zuführhülse 53 aufweisen, die die Kette der Metallpartikel 52 nach Verlassen der Walzen 51 bis zur Ablegestelle 12 leitet.
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In 2 wird der Sinterprozess durch Lichtbogenschweißen nach dem Hubzündverfahren beim Ablegen eines Metallpartikels 11 an einer Ablegestelle 12 beschrieben. Zunächst wird in (a) die Ablegestelle 12 mit der Hülse 53 angefahren, und durch den Vorschub v ein Metallpartikel 11 zur Ablegestelle 12 abgelassen. Ist in (b) der unterste Metallpartikel 11 an der vorgesehenen Stelle 12 positioniert, erfolgt die Stromzufuhr, so dass beim Zurückfahren (Pfeil r) der Metallpartikelkette in (c) zwischen der Stirnfläche des untersten Metallpartikels 11 und der bereits erzeugten Struktur 100 ein Lichtbogen L gezündet wird, durch den beide zumindest einer der beiden Fügepartner, der abzulegende Metallpartikel 11 und die die Ablegestelle 12 umgebenden Metallpartikel 11' der bereits aufgebauten Metallstruktur lokal angeschmolzen und anschließend in (d) unter geringem Anpressdruck, hervorgerufen durch erneuten Vorschub v, gefügt werden. So kann der abzulegende Metallpartikel 11 quasi in ein Schmelzebad eingetaucht werden, oder der abzulegende Metallpartikel 11 wird in Form eines Schmelzetropfens an der Ablegestelle 12 platziert, oder es tritt eine Kombination der beiden Fälle ein. Nach erneuter Stromzufuhr s (in Bild e), durch die das verjüngte Kettenbindeglied des gerade abgelegten Metallpartikels 111 erhitzt wird, wird der nun stoffschlüssig mit den bereits abgelegten Metallpartikeln 11' der Metallstruktur verbundene Metallpartikel 111 von der Kette aus Metallpartikeln 11 abgetrennt, indem diese wieder zurückgezogen wird (Pfeil r in (f).
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Um nun mit der Metallpartikelzufuhrvorrichtung ein Metallbauteil beliebiger dreidimensionaler Geometrie mit der gewünschten porösen Struktur aufzubauen, kann eine erfindungsgemäße Herstellungsanlage, wie sie mit einem Linearachsenaufbau in 3 und 4 oder mit einem Industrieroboter in 5 gezeigt ist, eingesetzt werden.
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Dabei ist zu beachten, dass aufgrund der geringen Auftragsleistung pro Hubzündvorgang die Verfahreinheit in X- und Y-Richtung hoch dynamisch auszuführen ist, um eine wirtschaftliche Maschinenausbringung zu erreichen. Daher wird für eine erfindungsgemäße Herstellungsanlage eine doppelte synchronisierte X/Y-Verfahreinheit gewählt. Diese besteht aus einer Hauptverfahreinheit, die einen sich über den gesamten Plotterbereich bzw. die gesamte Abformgrundlage 1 erstreckenden Verfahrbereich aufweist. In 3 und 4 ist dies das Linearachsensystem mit der X-Achse 20, der Y-Achse 22 und der Z-Achse 21, die an Stativen 9 läuft, in 5 ein Industrieroboter 2, dessen Ausleger in allen drei Raumrichtungen bewegt werden kann. Dort wird der von der Drahtrolle 7 zu der Kalibriereinheit 6 geführte Draht 10 von einem Schlauch 8 geschützt.
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Die Hauptverfahreinheit, sei es das Linearachsensystem 20, 21, 22 oder der Industrieroboter 2, trägt eine Schweißstromversorgung 4, zur Durchführung des oben beschriebenen Schweißvorgangs. Weiter trägt die Hauptverfahreinheit in den vorliegenden Beispielen eine Kalibriereinheit 6 und die Drahtzufuhr, bei der es sich hier um eine Drahtrolle 7 handelt. Mit der hochdynamische Nebenverfahreinheit 30, 31, die einen Verfahrbereich von je 30–100 mm in X und Y aufweist, wird die Metallpartikelzufuhrvorrichtung 5 in Hochgeschwindigkeit an der Ablegestelle 12 positioniert, um dort den Metallpartikel bzw. den daraus gebildeten Metalltropfen abzulegen.
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Die in der erfindungsgemäßen Herstellungsanlage eingesetzte Metallpartikelzufuhrvorrichtung 5 kann vorzugsweise eine wie oben im Zusammenhang mit 1 beschriebene sein. Es sind aber auch andere Zufuhreinheiten für Metallpartikel denkbar, die beispielsweise einen Metallpartikelvorrat umfassen, aus dem die Metallpartikel vereinzelt ausgegeben und über eine der Hülse 53 entsprechende Führungseinrichtung zu der Ablegestelle transportiert werden können, wo dann das Anschweißen des Metallpartikels an die Metallstruktur erfolgen kann. Eine weitere Metallpartikelzufuhrvorrichtung kann ebenfalls mit einem Draht gespeist werden, bei der jedoch eine andere als die beschriebene Umformeinheit vorgesehen sein kann. Auch ist nicht die beschriebene Umformung zu der Metallpartikel-Kette zwangsläufig erforderlich, der Draht kann auch schon in der Umformeinheit zu einzelnen Metallpartikeln getrennt werden. Mit der Verwendung von einzelnen Metallpartikeln bei der Zufuhr zu der Ablegestelle ist allerdings eine Variation des Hubzündverfahrens verbunden; da nun nicht mehr die als Kette verbundenen Metallpartikel vorgeschoben und zurückgezogen werden können, ist die Führungseinrichtung entsprechend zu gestalten.
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Um ein möglichst exaktes, spritzerfreies Plotergebnis zu erreichen, ist es sinnvoll den Schweißvorgang unter Schutzatmosphäre zu betreiben. Da in Abhängigkeit der Bauteilgröße relativ lange Plotterlaufzeiten auftreten können, ist der konventionelle Aufbau der Schutzatmosphäre durch eine Brennerdüse gegebenenfalls nicht wirtschaftlich. Die Herstellungsanlage (3D-Plotter) kann deshalb mit einer gasdichten Kabine 3 umbaut werden, in der Schutzatmosphäre herrscht.
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Um möglichst effizient verschiedene Wandstärken bzw. Materialien im erfindungsgemäßen generativen Verfahren verwenden zu können, können (in den 3 bis 5 nicht dargestellt) auf der Hauptverfahreinheit mehrere Kalibriereinheiten und Drahtzuführeinheiten für mehrere Materialarten und Materialdicken vorgehalten werden. So kann beispielsweise auch ein Bauteil geschaffen werden, das mehrere Zonen aus unterschiedlichen Metallmaterialien aufweist.
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Zur Umformung von verschiedenen Drahtstärken kann gegebenenfalls vorgesehen sein, dass die Walzen mit der profilierten Oberfläche austauschbar und/oder in ihrer Distanz zueinander veränderbar sind. So ist es möglich, unterschiedlich große Metallpartikel zu erzeugen. Gegebenenfalls kann die Zufuhrhülse über einen variierbaren Innendurchmesser an geänderte Partikelgrößen angepasst werden.
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Die erfindungsgemäße Herstellungsanlage, auch 3D Plottersystem für Metall genannt, arbeitet mit hoher Genauigkeit und ist für den Serieneinsatz geeignet.
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6 bis 8 verdeutlichen die Vorteile eines erfindungsgemäß geplotteten Metallbauteils 100 mit belastungsgerechter Hohlraumstruktur neben den Gewichtsvorteilen. Wie aus der Mechanik bekannt und in 6 skizziert, treten schwerpunktmäßig in den Randzonen des Bauteils 100 am fest gelagerten Ende Biegespannungen (Zugspannungen Z und Druckspannungen D) bei Belastung am freien Ende mit einer Biegekraft B auf.
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7 zeigt im Querschnitt als Bauteil 100', auf das die Biegekraft B wirkt, ein massives Rohr, dem als Vergleichsobjekt 100% Masse und 100% Steifigkeit zugeschrieben werden. Die Biegekraft B verursacht in der in 6 gezeigten Randzone im oberen Rohrabschnitt Zugspannungen und im unteren Druckspannungen, die zu einem Ausknicken A der Seitenwände führen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann durch die 3D-Plottechnik jedes Bauteil belastungsoptimiert mit geringster Masse gestaltet werden.
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8 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauteil 100 mit belastungsgerechter Hohlraumstruktur, dessen Masse 50% und Steifigkeit ca. 110% beträgt. Durch eine entsprechend gewählte Struktur K kann die Ausknickkraft A bei Beanspruchung mit der Biegekraft B kompensiert werden.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Möglichkeit, direkte Verbindungen zwischen verschiedenen Metallmaterialien wie Aluminium und Stahl zu schaffen. Dabei wird beim Plotten der Metallstruktur eine Lötverbindung zwischen den Zonen aus den unterschiedlichen Metallmaterialien erzeugt.
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Neben den Gewichtsvorteilen des Bauteils selbst durch die poröse Struktur ermöglichen die Bauteile durch verbesserte Fügeoptionen mit anderen Bauteilen weiteres Gewichtseinsparungspotential.
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Zum Vergleich der aktuellen Fügetechnik mit den Fügemöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Bauteils ist in 9 und 10 die Fügeverbindung zwischen Türscharnier 101 und der A-Säule 100, 100' dargestellt. Im Stand der Technik (9) wird die A-Säule in Bereichen mit hoher Belastung, wie im Bereich des Türscharniers 101, durch Blechpakete 100' gebildet. Ein erfindungsgemäß erzeugtes Bauteil 100 (10) gestattet hingegen eine beanspruchungsgenaue Auslegung der Bereiche mit hoher Belastung, wie dem Fügebereich des Türscharniers 101.
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11 verdeutlicht, dass herkömmlicher Weise beim Ändern der Bauteilstärke von einem dünnen Abschnitt 101 zu einem dickeren Abschnitt 102' das Fügen mittels Schweißnaht 105 (z. B. Punktschweißen) einen Überstand der verwendeten Bleche erforderlich machen. Dieser Überstand bedeutet ein Zusatzgewicht für die gefügten Bauteile.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, schon bei der Herstellung ein Bauteil mit einem stufenlosen Übergang zwischen einem Bauteilabschnitt 101 geringerer Dicke und einem Bauteilabschnitt 102 größerer Dicke zu schaffen, so dass neben der durch die Hohlraumstruktur geschaffenen Gewichtsersparnis auch das Zusatzgewicht infolge Überlappungen wegfällt, so dass mit der Erfindung ein minimales Materialgewicht erreicht werden kann. Es entsteht weiterhin eine lückenlose Verbindung aller Formelemente mit sehr hoher Gesamtsteifigkeit, die im konventionellen Karosseriebau bisher nur durch Einsatz von Strukturklebstoffen möglich ist
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13 und 14 verdeutlichen die Vorteile der Erfindung bei der Verwendung von unterschiedlichen Metallmaterialien. Im Stand der Technik werden Bauteile unterschiedlichen Materials, in 13 ein Bauteil 103' aus Aluminimum und ein Stahlbauteil 104' mittels Klebenaht 105' verbunden. Auch hier ist wieder der Überstand der Bauteile 103', 105' mit dem Verbundenen Zusatzgewicht erforderlich.
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Durch die im erfindungsgemäßen Herstellungsprozess erzeugte Lötverbindung 105 zwischen Bauteilbereichen 103 aus Aluminium und 104 aus Stahl kann auch hier der Überstand und damit das Zusatzmaterial entfallen.
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Durch das Plotten von Karosserieteilen aus Metall wird eine neue Leichtbaustrategie auf Basis von Erkenntnissen aus der Strukturbionik ermöglicht. Das Fertigungsverfahren gestattet alle Geometrieformen ohne Restriktion. So ist die Herstellung von gewichtsoptimalen Karosserieteilen ohne typspezifischen Invest und minimalen Anlaufzeiten möglich.
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Die erfindungsgemäße Plottechnologie von Metallbauteilen eignet sich besonders, um die Masse hochbelasteter Bauteile zu minimieren. Zwar sind die Prozesszeiten relativ hoch, was jedoch durch die Optimierung der Auftragsleistung pro Ploteinheit und mehrere parallel arbeitende Ploteinheiten wesentlich reduziert werden kann.
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Während im aktuellen Herstellprozess eines Fahrzeugrohbaus die verschiedenen Rohbauteile als Pressteile aus fahrzeugspezifischen Presswerkzeugen hergestellt werden, die somit auch fahrzeugspezifische Rohbauanlagen erforderlich machen, ist mit der erfindungsgemäßen Herstellungsanlage theoretisch der Aufbau der gesamten Rohbaukarosserie aus Draht in einem Arbeitsgang möglich, wodurch nicht nur der logistische Aufwand sondern auch der fahrzeugspezifische Invest verringert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007009277 A1 [0006]
- DE 10007711 C1 [0009, 0009]
