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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden eines Triebelements, wie einem Zahnrad, sowie ein Triebelement, das mittels des Verfahrens ausgebildet worden ist, als auch ein Getriebe mit einem solchen Triebelement.
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In der Getriebeherstellung besteht das Bestreben, Bauteile nach dem Prinzip des Leichtbaus auszulegen. In den Branchen der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Produktionsmaschinen, Industrieroboter und Werkzeugmaschinenbauindustrie und der Herstellung von handgeführten Maschinen wird eine Gewichts- und Massenreduktion der angewendeten Getriebe bei möglichst gleichbleibender Leistungsfähigkeit angestrebt. Hierbei wird eine Reduktion der bewegten Masse, sowohl in bewegten Körpern als auch in Antriebssträngen, die selbst nicht bewegt werden, angestrebt. Durch die Anwendung des Leichtbauprinzips kann eine bedeutende Ressourceneinsparung erreicht werden, da hierbei weniger Material verwendet und auch bewegt werden muss.
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Zahnradgetriebe sind ein wichtiger Bestandteil in Antriebsgruppen, besonders in kompakten Getrieben mit kleiner und mittlerer Leistung. Die bisherige Fertigungstechnik bestimmt die Möglichkeit in der Ausbildung von Zahnrädern nach dem Prinzip des Leichtbaus. Besonders der Strukturleichtbau wird größtenteils durch die Verwendung der Fertigungstechniken beschränkt. Bei konventionellen Fertigungsverfahren sind hinsichtlich der Gestaltungsfreiheit starke Grenzen gegeben.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Ansätze mit dem Ziel des Leichtbaus in der Zahnradfertigung bekannt: Beim Stoffleichtbau besteht generell die Möglichkeit, Zahnräder zusätzlich aus Materialien mit kleinerer Dichte zu fertigen. Beispiele dafür sind Kunststoff oder auch typische Leichtbaumaterialien, wie Titan. Ebenfalls ist eine Kombination in einer Zahnradpaarung aus einem ersten Zahnrad aus Metall und einem zweiten Zahnrad aus Kunststoff denkbar. Nachteilig bei der Verwendung von Kunststoff sind die beschränkte thermische Stabilität des Kunststoffes oder aber die überproportional großen Kosten für metallische Leichtbaustoffe, wie Titan.
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Aus der Internetseite der Universität des Landes Baden-Württemberg vom 31.05.2012 wird eine Bauteiloptimierung nach dem Vorbild der Natur erwähnt, wobei analog einem lastadaptiven Wachstum von biologischen Lastträgern ein gleichmäßiger Spannungsverlauf auf einer Bauteiloberfläche durch Wachstum an hoch belasteten Bereichen oder durch Schrumpfung in unterbelasteten Bereichen erreicht werden soll.
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Auf der Wikipedia-Seite, zuletzt geändert am 05.02.2014 mit dem Titel 3D-Drucker, wird ein generatives Fertigungsverfahren am Beispiel eines 3D-Druckers dargestellt, bei dem ein dreidimensionales Werkstück aus einem flüssigen oder festen Werkstoff nach vorgegebenen Maßen und Formen durch chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse des flüssigen oder festen Wirkstoffs ausgebildet werden soll.
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DE 10 2006 060 791 A1 betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung von gehärteten Bauteilen, wobei ein abzutragendes Material mittels eines Pulsed Electro Chemical Machining (PECM) bzw. gepulsten elektrochemischen Bearbeitung erfolgt.
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DE 10 2012 102 778 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schraubrades aus unterschiedlichen Materialien, wobei ein zahnkranzförmiges Außenteil an ein Innenteil mittels eines Spritzgussverfahren, insbesondere eines Schirmangusses angegossen werden soll. Das Außenteil kann aus verstärktem Kunststoff gefertigt sein, während das Innenteil von einem metallischen Werkstoff ausgebildet wird.
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DE 10 2012 102 777 A1 betrifft ebenfalls ein Schraubrad für eine elektromechanische Lenkvorrichtung, wobei das Schraubrad ein Verbindungsteil
14 aufweist und ein Außenteil
16, wobei das Verbindungsteil spiralförmige Rippen und radiale Verrippungen aufweist, auf die das die Zähne bildende Außenteil angespritzt wird.
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Zusätzlich bestehen Leichtbauansätze für Mischbauweisen. Zahnräder werden dabei als Kombination unterschiedlicher Werkstoff in einer Mischbauweise hergestellt. Beispielsweise existieren Ansätze, Zahnräder aus carbonfaserverstärkten (CFK) Komponenten zu fertigen. Hier ist jedoch noch neben der beschränkten thermischen Belastbarkeit auch der große Fertigungsaufwand, wie auch ein anisotropes Materialverhalten bekannt.
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Beim Multimaterialgesenkschmieden werden in einem Schmiedeprozess mehrere Werkstoffe zu einem Zahnrad verbunden, so dass Materialien zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Reduktion des Gewichts kombiniert werden können. Typischerweise werden hier Kunststoffe oder ein Metall-Epoxidharz-Schaum mit Additiven zur Festigkeitssteigerung verwendet. Nachteilig hierbei sind wiederum der große Fertigungsaufwand und die beschränkte Belastbarkeit.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines gewichtsreduzierten Triebelements für ein Getriebe in Leichtbauweise bereitzustellen, das in formvariabler Weise auf einfache Art und Weise ausführbar ist und trotz der Gewichtsreduzierung keine Festigkeitseinschränkungen auch bei thermischen Belastungen des Triebelements ergibt und das leicht die Herstellung verschiedenartiger Triebelement, wie Zahnräder mit unterschiedlichsten Verzahnungsgeometrien, gestattet.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Triebelement, insbesondere ein Zahnrad in Leichtbauweise anzugeben, das nach den auftretenden statischen, dynamischen und thermischen Belastungen in einem zugehörigen Getriebe entsprechend ausgelegt werden kann und dennoch auch in geringer Stückzahl kostengünstig herstellbar ist.
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Schließlich soll noch ein entsprechendes Getriebe angegeben werden.
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Die erstgenannte Aufgabe wird erfinderisch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Hinsichtlich eines Triebelements und eines Getriebes werden die anderen genannten Aufgaben erfindungsgemäß durch ein Triebelement bzw. ein Getriebe mit den Merkmalen nach Anspruch 4 bzw. 8 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Triebelements bereitgestellt, wobei das gesamte Triebelement mittels eines additiven Fertigungsverfahrens ausgebildet wird, bei dem ein formloses oder formneutrales Material schichtweise aufgebracht wird und nur die zur Kraftaufnahme und Kraftübertragung nötigen Abschnitte des Triebelements in dem schichtweise aufgebrachten formlosen oder formneutralen Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse nach einem Tragwerksmodell schichtweise verfestigt werden, so dass das Triebelement in seiner Gesamtheit zusammen mit den Abschnitten schichtweise ausgebildet wird und das Triebelement wenigstens abschnittsweise ein gewichtsreduziertes Tragwerk aus einer Mehrzahl von paarweise angeordneten, in zwei Teilstreben unterteilten bogenförmigen Streben und einer Mehrzahl von Aussparungen aufweist.
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Durch die Erfindung wird in kostengünstiger Weise ein Triebelement, insbesondere ein Zahnrad und damit auch ein zugehöriges Getriebe, wie ein Zahnradgetriebe, in kraftflussgerechter Gestaltung in Leichtbauweise herstellbar, und zwar für beliebige Eingriffsgeometrien, wie z. B. gerad- oder schräg- oder doppelschräg-verzahnte Zahnräder, und zwar in jeweils kostengünstiger, gewichtsreduzierten und vorzugsweise generativer Fertigung, wie durch lasermetallurgische, schichtweise Aufschmelzung von einem Pulvermaterial.
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Unter kraftflussgerecht ist hierbei eine Auslegung der tragenden Bauteile hinsichtlich der wirklich auftretenden Beanspruchung des Triebelements zu verstehen.
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Die Kraft- und Belastungsverläufe innerhalb des Tragwerkes eines Verzahnungskörpers können z. B. durch eine Finite-Elemente-Methode (FEM)-Analyse ermittelt und hieraus die entsprechenden Steuerungsdaten für ein laserstrahlgestütztes Erzeugen des Tragwerkes und/oder des Verzahnungskörpers des Triebelements genommen werden.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
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In diesen zeigen:
- 1 eine Seitenansicht auf ein Triebelement, insbesondere ein Zahnrad, das mittels eines additiven und/oder subtraktiven Fertigungsverfahrens hergestellt worden ist, wobei das subtraktive Fertigungsverfahren nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist,
- 2 eine Schnittansicht des in 1 gezeigten Zahnrades,
- 2a in einer vergrößerten Teilschnittansicht die zugehörigen Streben und deren Anordnung in der Y-Z-Ebene,
- 3 ein schematischen Blockschaltdiagramm, das die Herstellung des Triebelements in einem additiven Fertigungsverfahren darstellt,
- 4 ein schematischen Blockschaltdiagramm, das die Herstellung des in 1 und 2 dargestellten Triebelements in einem subtraktiven Fertigungsverfahren darstellt, welches nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist,
- 5 eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Triebelements,
- 6 eine perspektivische Teilschnittansicht des in 5 dargestellten Triebelements, und
- 6a in einer vergrößerten Teilschnittansicht eine Ausgestaltung der Streben in Bauteildickenrichtung.
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Zum besseren Verständnis ist in 1 und 2 ein X-Y-Z-Bezugssytem angezeigt. Die X-Achse erstreckt sich entlang der Schwereachse S in Bauteildickenrichtung, und die Y- und Z-Achsen erstrecken sich jeweils in einer radialen Richtung r weg von dem Schwerpunkt der Schwerachse S orthogonal zueinander.
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In 1 ist ein Triebelement 1 dargestellt, insbesondere ein Zahnrad 10 mit einer Mehrzahl über dessen Grundkörper-Umfang U verteilter Zähne 140. Je nach Einsatz können die Zähne 140 mit unterschiedlichen Zahnflanken 141 und Teilung 142 entworfen werden. Beispielsweise entspricht die Zahnflanke 141 einer Evolvente. Die Zahnflanke 141 kann auch als Kreisbogenverzahnung und/oder einer Triebstockverzahnung entworfen und ausgebildet werden, d. h. sowohl, wie hier gezeigt, in Geradverzahnung, als auch z. B. in Schräg- oder Doppelverzahnung.
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Bei dem Triebelement 1 kann es sich auch um ein Zahnrad 10 mit an dessen Grundkörper-Umfang U verteilten Zähnen 140, wie in 1 dargestellt, oder ein Stirnrad, ein Kegelrad, ein Schraubenrad oder einen Schneckenantrieb (jeweils nicht dargestellt) handeln.
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Erfindungsgemäß weist das Triebelement 1 eine nach dem Leichtbau- und Kraftfluss-Prinzip optimierten Bereich 12 auf und wird mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt.
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Das in 1 gezeigte Zahnrad 10 ist in einem Tragwerk 121 mit Sinne einer Gewichtsoptimierung bei gleichbleibender Festigkeit designt und entworfen. Das Tragwerk 121 weist bei gleicher Festigkeit gegenüber einem Vollmaterialquerschnitt ein geringeres Gewicht auf.
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Das Zahnrad 10 weist einen Eingriffsabschnitt 13, der Zähne 140 zum In-Eingriff-Bringen mit einer anderen Verzahnung eines anderen Zahnrades oder eines anderen Eingriffselements mit einer Verzahnung aufweist, einen Grundkörper 12, an dessen Außenumfang U der Eingriffsabschnitt 13 ausgebildet ist, und einen Montageabschnitt 11 auf, der am Innenumfang I des Grundkörpers 12 ausgebildet ist. Der Montageabschnitt 11 ist üblicherweise eine Durchgangsöffnung 110.
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Die kreisförmige Durchgangsöffnung 110 ist zur Aufnahme einer Welle (nicht dargestellt) ausgebildet.
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In radialer Richtung r kann an der Durchgangsöffnung 110 eine Keilaufnahme 111 (dargestellt in gestrichelten Linien) ausgebildet werden, in der ein Einlegekeil (nicht dargestellt) zum formschlüssigen Verbinden des Zahnrades 10 mit einer Welle (nicht dargestellt) eingesetzt werden kann.
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Die Durchgangsöffnung 110 und die Keilaufnahme 111 sind in einem Umfangsring 112 des Montageabschnittes 11 ausgebildet, der aus einem Vollmaterial ausgebildet ist und keine gewichtssparenden Ausnehmungen aufweist. Der Umfangsring 112 kann bei Bedarf zusätzlich oder separat als ein gewicht- und kraftflussreduziertes Tragwerk vergleichbar dem Tragwerk 121 ausgebildet werden.
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An den Umfangsring 112 schließt stofflich einstückig beidseitig oder einseitig am Zahnrad-Grundkörper 12 an der der Durchgangsöffnung 110 abgewandten Seite ein Schürzenabschnitt 113 (siehe 5) an, an das in Richtung hin zum Eingriffsabschnitt 13 ein gewichtsreduziertes und kraftflussoptimiertes Tragwerk 121 aus einer Mehrzahl von bogenförmigen Streben 130 anschließt, wobei die Streben 130 aus einem tragfähigem, festen Material ausgebildet sind, die jeweils eine rautenförmige Aussparung 131 definieren.
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Die Streben 130 können auch einen anderen Verlauf aufweisen. In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform, können die Streben 130 fachwerkartige und/oder kreisförmige Abschnittsverläufe aufweisen.
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Die Streben 130 sind in deren bogenförmiger Verlauf V und an den Kontenpunkten 135 mit zusätzlichen Ausnehmungen 132, 133 versehen. Die Weite der Aussparung 131, 132, 133 in der X-Z-Ebene ergibt sich aus der Strebendicke t. Die Aussparung 132, 132, 133 erstrecken sich vollständig durch die Bauteildicke Q (siehe 5) des Zahnrad-Grundkörpers 12. Die Aussparung 131, 132, 133 können auch als sacklochartige Ausnehmungen in dem Zahnrad-Grundkörper 12, den Zähnen 140 und/oder dem Montageabschnitt 11 ausgebildet werden.
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Der leichtbau- bzw. kraftfluss-reduzierte Tragwerk-Bereich 121 kann den Zahnrad-Grundkörper 12, den die Zähne 140 aufweisenden Eingriffabschnitt 13 und/oder den Montageabschnitt 11 zur Montage des Triebelements umfassen (siehe 1).
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Das Tragwerk 121 des Triebelements 1 bzw. Zahnrad 10 ist nach einem kraftflussgerechten und massereduzierten Leichtbau-Design entworfen, wobei die gewichtssparenden Aussparungen 131, 132, 133 und kraftabtragenden Streben 130 mit oder ohne Hilfe eines computerunterstüzten Belastungsmodells, insbesondere einem FEM-Verfahren, entworfen werden. Die Projektierung und das Design der Streben 130 und der Aussparung kann unter Verwendung von Belastungsmodellen, die den Kraftfluss in dem Triebelement darstellen, designt und optimiert werden, oder das Triebelement wird als vorgegebenes Design entworfen und dann in ein Datenmodell konvertiert mittels dem ein generatives und/oder subtraktives Fertigungsverfahren gesteuert werden kann.
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Gegebenenfalls können sowohl mehrere Streben 130 in X-Richtung voneinander getrennt vorgesehen sein (siehe 6a), als auch die Zähne 140 des Verzahnungskörpers in Achsrichtung (X-Richtung) in einzelne Tragabschnitte unterteilt sein.
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Die Aussparungen 131, 132, 133 und die Streben 130, 130a, 130b können in dem die Zähne 140 bildenden Eingriffsabschnitt 13, dem Grundkörper 12, und/oder dem Montageabschnitt 11 zur Montage des Triebelements vorgesehen werden (siehe 1).
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Das Triebelement 1 wird erfindungsgemäß mittels eines additiven Fertigungsverfahren ausgebildet. Das Triebelement 1 wird vor dem Ausbilden mittels des additiven Fertigungsverfahrens im Sinne einer Gewichtsoptimierung bei gleichbleibender Festigkeit entworfen.
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Der Grundkörper 12, der zwischen dem Eingriffsabschnitt 13 und dem Montageabschnitt 11 angeordnet ist, ist bevorzugt gewichtsreduziert ausgelegt und designt, wobei die nicht tragenden Bereiche als Aussparungen 131, 132, 133 vorgesehen sind, die von den Streben 130, die eine Kraftübertragungsfunktion haben, definiert werden.
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Das Tragwerk 121 des Grundkörpers 12 weist die kraftübertragende Streben 130, 130a, 130b und gewichtssparende Aussparungen 131, 132, 133 auf. Die kraftübertragenden Streben 130, 130a, 130b definieren die Erstreckung und Gestalt der Aussparung 131, 132, 133. Die Bauteildicke t (siehe 2a) jeder Strebe 130 ist je nach Kraftverlauf konstant oder variabel ausgelegt und die von der jeweiligen Aussparung 131 definierte Fläche F ist je nach Belastung über den Erstreckungsbereich des Grundkörpers 12 in radialer Richtung r unterschiedlich ausgelegt.
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2 zeigt eine Schnittansicht unterhalb des Eingriffabschnittes 12 und 2a in einer vergrößerten Teilschnittansicht gemäß der kreisförmigen Schnittführung in 2 die Streben 131 in ihrer Bauteildickenrichtung Q in X-Richtung.
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In 2a ist in einer vergrößerten Teilschnittansicht die Teilung einer Strebe 130 von der Aussparung 132 dargestellt. Die Aussparung 132 mit einer Weite a unterteilt die Strebe 130 in zwei Teilstreben 130a, 130b zur weiteren Masseeinsparung, jeweils mit einer konstanten oder unterschiedlichen Strebendicke t.
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In dem Grundkörper 12 können die Streben 130 zusätzlich oder ausschließlich in Bauteildickenrichtung X eine Bauteildicke q aufweisen, die der Gesamtdicke Q des Triebelements 1 entspricht (siehe 5). Zur weiteren Optimierung des Gewichts des Zahnrades 10 bzw. des Triebelements 1 können die Streben 130 auch in Bauteildickenrichtung Q Aussparungen 134 aufweisen. Die Aussparungen 134 weisen die vorbestimmte Weite a auf. Die Weite a kann über den radialen Verlauf entlang der Y und/oder X Richtung veränderlich und/oder konstant ausgebildet sein.
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Die gewichtssparenden Aussparungen 131, 132, 133, 134 (siehe 1, 5) werden von den kraftübertragenden Streben 130 definiert und weisen kein Material auf, während die Streben 130 von einem kraftableitenden Material ausgebildet sind.
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Die kraftabtragenden Streben 130, 130a, 130b, 130.1, 130.2 werden bevorzugt mittels einem additiven Fertigungsverfahren ausgebildet, wobei erfindungsgemäß bevorzugt das gesamte Triebelement 1 in seiner in 1 dargestellten Form mittels des additiven Fertigungsverfahrens ausgebildet wird.
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Bei dem additiven Fertigungsverfahren wird beispielsweise ein loses Schüttmaterial durch chemische Prozesse oder physikalisch Prozesse in einen verfestigten Zustand überführt. Hierbei wird das erfindungsgemäßen Triebelement 1 schichtweise hergestellt, wobei zunächst eine pulverförmige Schicht, deren Fläche im Wesentlichen den auszubildenden Triebelement entspricht, mit Schüttmaterial bedeckt wird, das dann gemäß der Form des auszubildenden Triebelements 1 verfestigt wird. Zum Verfestigen des losen Schüttmaterials können unterschiedliche Verfestigungsverfahren, wie Stereolithografie, selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern, Fused Deposition Modeling, Laminated Object Modelling und 3D Printing, sowie Kaltgasspritzen, angewendet werden. Bevorzugt wird das Triebelement 1 aus einem metallischen Schüttmaterial ausgebildet, das schichtweise aufgetragen und verfestigt wird und das im verfestigten Zustand thermisch belastbar ist.
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Alternativ kann das Triebelement 1 und der gewichtsreduzierte Grundkörper 12 auch über andere nicht generative Verfahren ausgebildet werden, die aber nicht Teil der Erfindung sind. Beispielhaft wird hier ein subtraktives Fertigungsverfahren offenbart, bei dem aus einem vorgegebenen Halbzeug die für die auftretenden Kräfte unnötigen Abschnitte herausgetrennt werden, um die Aussparungen 131, 132, 133 auszubilden. Hierbei können beispielsweise bestimmte spanende und nicht spanende Verfahren verwendet werden, oder andere Trennverfahren, wie Laserschneiden, bei denen die nicht für die Kraftübertragung notwendigen Bereiche 131, 132, 133 aus dem bereitgestellten Halbzeug herausgeschnitten werden.
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Das subtraktive Fertigungsverfahren kann mit dem additiven Fertigungsverfahren kombiniert werden. So kann beispielsweise ein Triebelement 1, wie in 1 dargestellt, ohne die Aussparungen 131, 132, 133 ausgebildet werden. In einem subtraktiven Fertigungsverfahren werden dann die Aussparungen 131, 132, 133 ausgebildet, in dem an den vorbestimmten Stellen der Aussparungen Material 131, 132, 133 aus dem Halbzeug entfernt wird.
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3 zeigt in einem schematischen Blockschaltdiagramm Verfahrensschritte zum Ausbilden des gewichtsreduzierten Triebelements 1, wobei hier erfindungsgemäß ein additives Fertigungsverfahren angewendet wird. In dem hier dargestellten Verfahren wird das Triebelement 1 mittels eines Tragwerksmodells designt und entworfen. Es ist jedoch auch im Sinne der Erfindung, dass das Triebmodell 1 vorab mit den gewichtoptimierten Bereichen designt wird und dann ein Belastungstest am fertigen Modell oder über Computerprogramme durchgeführt wird.
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Zum Ausbilden des Tragwerkmodells, das mit dem Tragwerk 121 des Triebelements 1 korrespondiert, wird hierbei ein FEM-Verfahren zu Hilfe genommen, mittels dem der Kraftverlauf für unterschiedlichen Belastungsfälle, wie einseitige oder beidseitige Drehrichtung, Bewegung des zu entwerfenden Zahnrades an die vorherrschenden Bedingungen und Belastungsfälle in einem Getriebe designt und entworfen wird.
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Unter einem generativen, beziehungsweise additiven Verfahren ist hierbei ein Verfahren zu verstehen, bei dem ein formloses oder formneutrales Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse zu dem Triebelement basierend auf rechnerinterner Datenmodelle ausgebildet wird. Ein formloses Material wäre beispielsweise eine Flüssigkeit, ein Pulver u. ä., wobei ein formneutrales Material üblicherweise band- oder drahtförmig vorliegt.
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Das Verfahren zur Herstellung des gewicht- und kraftoptimierten Triebelements 1, insbesondere des gewicht- und kraftoptimierten Zahnrades 10, kann in einen ersten Hauptschritt - die Projektierung des Triebelements 1, bei der die Geometrie-Daten eines Modells des Triebmodells 1 erstellt werden, sodass diese in ein Programm oder Datenbasis einer additiven oder subtraktiven Fertigungsvorrichtung eingebracht werden können - und in einen zweiten Hauptschritt unterteilt werden, der das Ausbilden des Triebelements 10 mittels eines additiven (siehe 3) und/oder mittels eines subtraktiven Fertigungsverfahrens (siehe 4) und einer additiven oder subtraktiven Fertigungsvorrichtung umfasst.
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In Schritt S1 wird ein Tragwerksmodell des Triebelements 1, insbesondere eines das dem in 1 dargestellten optimierten Zahnrad 10 gleicht, entworfen und ermittelt, wobei hierbei berücksichtigt wird, dass ein Tragwerksmodell des Tragwerks 121 des Triebelements 1 designt wird, dass eine gleiche oder bessere Festigkeit bei geringeren Gewicht, wie ein Triebelement aus Vollmaterial, besitzt. Hierbei können auch Belastungsmodelle an dem entworfenen Tragwerksmodell angewendet werden, um festzustellen, welche Materialbereiche zur Kraftabtragung erforderlich sind, und welche Materialbereiche zur Gewichtsoptimierung ausgelassen werden können. Bevorzugt wird dies mit Hilfe entsprechender Computerprogramme (FEM) durchgeführt, an denen ein Belastungszustand auf ein Tragwerksmodell des Triebelements 1 übertragen wird. Anhand des Belastungszustands am Tragwerksmodell des Tragwerks 121 kann die Struktur und Gestalt der Streben 130, 130a, 130b, 130.1, 130.2 sowie die Gestalt der Aussparungen 131, 132, 133, 134 entworfen werden. Die Aussparungen 131, 132, 133, 134 können beispielsweise rautenförmige Aussparungen, dreieckförmige Aussparungen oder kreisförmige Aussparungen aufweisen.
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In Punkt S2 wird aufgrund der Daten des Tragwerkmodells festgestellt, welche Materialbereiche in dem Triebelement 1 verzichtbar sind und es werden optimalerweise nur die kraftübertragenden Streben 130 und die gewichteinsparenden Aussparungen 131 ausgebildet, beziehungsweise in einem Modell des Triebelements 1 festgelegt. Insbesondere wird im Schritt S2.1 die Form und die Gestalt der jeweiligen Streben 130, 130a, 130b, 130.1, 130.2 optimiert, wobei hierbei die Strebendicke t und der Strebenquerschnitt q (siehe 6a) festgelegt wird. Zusätzlich kann hierbei ein Zahn-Tragwerksmodell für die Zähne 140 entworfen werden, wobei hierbei berücksichtigt wird, welche Belastungsfälle und Bewegungsrichtungen anfallen. Die Zähne 140 werden optional mit einem gewichtsreduzierten und kraftflussgerechten Zahn-Tragwerksmodell versehen, dass mit dem Tragwerksmodell des Zahnrad-Grundkörpers 12 kombiniert werden kann.
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Im Schritt S3 wird ein Triebelement-Daten-Modell G aus den gewonnenen Daten des Tragwerksmodells des Triebelements 1 und dem Tragwerk 121 für eine Vorrichtung zur Durchführung eines additiven oder subtraktiven Fertigungsverfahrens erstellt, mittels der das entworfene Triebelement 1 hergestellt wird.
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In den Schritten S4 bis S7 erfolgt die Ausbildung des Triebelements 1 mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, bei dem ein loses Schüttmaterial, bevorzugt ein metallisches Material/Pulver, mittel eins chemischen und/oder physikalischen Prozesse, wie beispielsweise Lasersintern, schichtweise aufgetragen und verfestigt wird.
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Hierfür werden in Schritt S4 die Daten G des Triebelement-Modells in eine Datenbasis einer Vorrichtung zum additiven Fertigen des Triebelements 1 überführt.
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Die Vorrichtung zum additiven Fertigen weist ein formloses oder formneutrales Material und eine Verfestigungs-Vorrichtung auf, die mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse das formlose oder formneutrale Material zu dem Triebelement 1, basierend auf den Daten G des Triebelement-Modells des Treibelements 1, schichtweise verfestigt. Hierfür wird zum Beispiel ein pulverförmiges Schüttmaterial in Schichten auf einer Grundplatte verteilt, wobei die aufgetragene Schicht zunächst abschnittsweise verfestigt wird, und nach dem Verfestigen eine weitere Schicht von unverfestigtem Schüttmaterial auf der zuvor aufgetragenen und wenigstens abschnittsweise verfestigten Schicht aufgetragen wird.
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Im Schritt S5 wird eine erste oder eine weitere Schüttschicht auf der Grundplatte oder auf einer bereits verfestigten Materialschicht in einer vorbestimmten Schichtdicke aufgetragen, die dann in Schritt S6 gemäß dem Triebelement-Daten-Modell G in einem additiven Fertigungsverfahren bereichsweise verfestigt wird.
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In Schritt S7 wird kontrolliert, ob das Triebelement 1 bereits ausgebildet worden ist. Falls festgestellt wird, dass das Triebelement noch nicht fertiggestellt worden ist, wird zu Schritt S5 zurückgegangen, indem eine neue Schicht auf die bereits aufgetragene Schicht mit dem durch chemische und/oder physikalische Verfahren verfestigte Schicht aufgetragen wird. Die Schritte S5 bis S6 werden solange fortgesetzt, bis das Triebelement 1, insbesondere das Zahnrad 10, in der vorbestimmten Gestalt ausgebildet worden ist.
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In 4 ist das Verfahren zur Herstellung eines Triebelements 1 mittels eines subtraktiven Fertigungsverfahrens dargestellt, welches nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
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Die Projektierung des Triebelements 1 für das subtraktive Fertigungsverfahren entspricht im Wesentlichen den Schritten S1 bis S3 für das generative/additive Fertigungsverfahren. Bei dem subtraktiven Verfahren wird vorzugsweise auf die Ausbildung der Ausnehmungen 134 im Inneren des Zahnrad-Grundkörpers verzichtet, oder es wird ein Halbzeug bereitgestellt, dass diese Ausnehmungen 134 bereits aufweist.
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Im subtraktiven Verfahren entfallen die Schritte S4 bis S6, und werden durch die Schritte S8 und S9 ersetzt.
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In den Schritten S8 und S9 wird aus einem bereitgestellten Halbzeug, das im Schritt S8 bereitgestellt wird, das Material beseitigt, das gemäß dem Tragwerkmodell des Triebelements 1 nicht notwendig ist. Dies wird bevorzugt schichtweise durchgeführt, beispielsweise mittels Ätz-, Bohr- oder anderen Verfahren, die ein spanendes oder spanloses Beseitigen von Material ermöglichen.
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5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht das Triebelement 1 bzw. Zahnrad 10. Hieraus wird ersichtlich, dass der Zahnradgrundkörper 12 und der Eingriffsabschnitt 13 mit den Zähnen 140 im Wesentlichen die gleiche Bauteildicke Q aufweisen, wobei sich der Schürzenabschnitt 113 um einen vorbestimmten Abstand aus der Seitenebene des Grundkörpers 12 bzw. der Tragwerksebene in X-Richtung heraus erstreckt, um den Montageabschnitt 11 auszubilden.
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Der in 5 gezeigte Grundkörper 12 weist zueinander diagonal angeordnete Streben 130 auf, die rautenförmige Aussparungen 131 und vieleckige Aussparungen 132, 133 in den Streben 130 definieren. Die Streben 130 des Tragwerkmodells des Zahnrades 1 sind sowohl als Druck-, als auch als Zugstreben ausgelegt. In einer nicht dargestellten Ausführungsform können die Streben 130 auch als Druck- oder Zugstreben ausgebildet werden, wobei dies durch die Querschnittdicke der jeweiligen Strebe eingestellt werden kann.
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Wie in 1 gezeigt, erstrecken sich die jeweilige Streben 130 in einer Gesamtheit in einem bogenförmigen, stetigen Verlauf V zwischen dem Montageabschnitt 11 und dem Eingriffsabschnitt 13. Bei der Anordnung der Streben 130 wird bei einem Zahnrad die Drehrichtung, bei einer Zahnstange die Bewegungsrichtung berücksichtigt und je nach vorgegeben Belastungsfall einer Drehung nur in eine Richtung oder einer Drehung in zwei Richtungen die Lage und Anzahl der Strebe verringert bzw. vergrößert.
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Die bogenförmigen Streben 130 von 5 treffen sich stofflich einstückig in Kreuzungspunkten 135, was zu einer Verkürzung des Eulerknicks führt und eine fachwerkartige Tragwirkung erzeugt. Ferner sind die bogenförmigen Streben 130 netzartig in dem Grundkörper 12 angeordnet, so dass die Streben 130 jeweils die Aussparungen 131, 132, 133 definieren. Zum besseren Verständnis ist der bogenförmige Verlauf V der Streben 130 in strichlierter Linie in 1 angezeigt.
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6 zeigt in einer vergrößerten Teilschnittansicht den unteren Abschnitt des in 5 dargestellten Triebelements 1. Hieraus ist zu erkennen, dass die Streben 130 in Bauteildickenrichtung Q als Vollmaterialstreben 130 ausgebildet sind.
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Es ist jedoch auch vorgesehen, dass die Streben in Bauteildickenrichtung Q mit zusätzlichen Ausnehmungen 134 versehen werden können, um eine weitere Gewichtsreduzierung bereitstellen zu können. 6a zeigt in einer vergrößerten Teilschnittansicht eine Ausgestaltung einer Aussparung 134, die in Bauteildickenrichtung Q in den jeweiligen Streben 130 ausgeführt werden kann. Die Aussparung weist eine Weite b auf und teilt die Strebe 130 in Querrichtung Q in zwei Teilstreben 130.1 und 130.2, so dass die die jeweilige Teilstrebe 130.1 und 130.2 eine Bauteildicke q aufweist. Die Gestalt der Aussparung 134 ergibt sich aus dem vorgegebenen Verlauf derselben und kann parallel, quer oder schräg zu den Seitenrändern der jeweiligen Strebe 130 verlaufen.
