DE102014214016A1

DE102014214016A1 - Leichtbaustruktur und Verfahren zur Herstellung einer Leichtbaustruktur

Info

Publication number: DE102014214016A1
Application number: DE102014214016.1A
Authority: DE
Inventors: Ingo Walter
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2015-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leichtbaustruktur (1) zum Halten eines Funktionselements, insbesondere eines Spiegels (4), wobei die Leichtbaustruktur (1) einteilig als Stabtragwerk (2) aus Polyedern ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Leichtbaustruktur (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Leichtbaustruktur zum Halten eines Funktionselements, insbesondere eines Spiegels, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Leichtbaustruktur.
Insbesondere für optische Spiegel in der Astronomie und Fernerkundung benötigt man sehr stabile und leichte Strukturen für den Spiegel.
Optische Spiegelstrukturen werden entweder aus Vollmaterialkörpern gefertigt, die zur Leichtgewichtung rückseitig oder quer zur Spiegelfläche subtraktiv bearbeitet werden oder sie werden aus verfügbaren Leichtgewichtsbauteilen zusammengesetzt. Die Bearbeitung der Spiegelflächen erfolgt anschließend durch optische Feinbearbeitung. Dabei werden für die Dimensionsstabilität thermisch niedrig ausdehnende Werkstoffe wie z.B. Zerodur, ULE oder SiC verwendet oder Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Al oder Be. Bei Verbundstrukturen wurde auch CRFM als Träger mit auflaminierten Spiegelelementen vorgeschlagen.
Die Technologien mit niedrig ausdehnenden Werkstoffen sind aufwendig und bezüglich der Leichtgewichtung durch gegenüber Metallen geringere mechanische Fertigkeit limitiert. Montageschnittstellen werden über angesetzte Bauteile ergänzt und müssen mit Bezug auf die optische Qualität speziell untersucht und erprobt werden.
Verbundstrukturen sind technologisch noch komplexer und unterliegen oft größerer Sensitivität gegenüber Umwelteinflüssen wie z.B. Temperatur und Feuchtigkeit.
Aus der EP 1 480 005 A1 ist ein Leichtbaustrukturelement mit einer Grundfläche und einer dieser gegenüberliegend angeordneten Deckfläche bekannt, wobei innerhalb des Leichtbaustrukturelements mehrere jeweils parallel zueinander ausgerichtete zylinderförmige Hohlräume ausgebildet sind.
Ähnliche Strukturen sind aus der US 2,988,959 A sowie der US 6,589,984 B2 bekannt.
Weiter ist seit einiger Zeit ein Verfahren insbesondere zur Herstellung von Prototypen bekannt, das auch als selektives Laserschmelzen bzw. Laser-Melting bezeichnet wird. Dieses Verfahren hat große Ähnlichkeit mit dem bekannten 3D-Drucken. Beim Laserschmelzen werden mittels CAD-Daten aus Metallpulvern durch 3D-Lasertechnologie homogene Metallteile gefertigt. Dies ermöglicht den Aufbau komplexer Strukturen, die weitgehend poren- und rissfrei sind.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Leichtbaustruktur zu schaffen, die bei ausreichend großer Stabilität leichter aufgebaut werden kann. Ein weiteres technisches Problem ist das Zurverfügungstellen eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen Leichtbaustruktur.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Leichtbaustruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu ist die Leichtbaustruktur zum Halten eines Funktionselements, insbesondere eines Spiegels, einteilig als Stabtragwerk aus Polyedern ausgebildet. Dies erlaubt eine sehr leichte und stabile Bauweise. Dabei wird das Stabtragwerk mittels selektivem Laserschmelzen hergestellt. Durch diese additive Herstellung kann das Gewicht um bis zu 85 % im Vergleich zu einem Vollkörper reduziert werden, was auch eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu den subtraktiven Verfahren darstellt, die nur ca. 60 % Gewichtsreduzierung im Vergleich zum Vollkörper erreichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Polyeder als Tetraeder ausgebildet, der insbesondere hinsichtlich der Stabilität sehr gut ist.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Polyeder derart zusammengesetzt, dass die Vorder- und Rückseite zwei zueinander parallele Ebenen ausbilden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Polyeder eine oder mehrere Lagen bilden.
Prinzipiell ist es denkbar, dass das Stabtragwerk aus mehreren Werkstoffen besteht. Vorzugsweise wird jedoch ein einziger Werkstoff verwendet, der vorzugsweise als Metall oder Metalllegierung ausgebildet ist.
Als besonders vorteilhaft hat sich dabei AlSi10Mg erwiesen.
In einer weiteren Ausführungsform ist in die Leichtbaustruktur das Funktionselement, insbesondere ein Spiegel und/oder mindestens eine Montageschnittstelle integriert. Dies erlaubt die Herstellung eines kompletten einstückigen Bauteils ohne separate Fügestellen. Der Spiegel kann dann nach der eigentlichen Herstellung beispielsweise mittels Diamantdrehen optisch nachbearbeitet werden. Dabei können weitere Politurschritte oder reflektive Beschichtungen nachfolgen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 eine perspektivische Vorderansicht auf ein aus Tetraedern zusammengesetztes Stabtragwerk,
2 eine perspektivische Seitenansicht auf das Stabtragwerk,
3 eine perspektivische Vorderansicht auf das Stabtragwerk mit integriertem Spiegel und Montageschnittstellen und
4 eine perspektivische Rückansicht auf das Stabtragwerk gemäß 3.
In der 1 und 2 ist eine Leichtbaustruktur 1 in Form eines Stabtragwerks 2 dargestellt, wobei sich das Stabtragwerk 2 aus Tetraedern 3 zusammensetzt, wobei ein einzelner Tetraeder 3 durch Schraffur hervorgehoben ist. Dabei bildet die Vorderseite V eine Ebene, die durch die beiden „Geraden“ g1 und g2 aufgespannt wird. Entsprechend bildet die Rückseite R eine Ebene, die durch die beiden Geraden g3 und g4 aufgespannt wird. Die Ebene der Vorderseite V ist dabei parallel zur Ebene der Rückseite R. Dabei ist das Stabtragwerk 2 einlagig ausgebildet, d.h. ein Tetraeder hat mindestens eine Ecke in der Ebene der Vorderseite V und mindestens eine Ecke in der Ebene der Rückseite R. Das Stabtragwerk 2 wird dabei durch selektives Laserschmelzen hergestellt, wobei der Werkstoff vorzugsweise AlSi10Mg ist.
In der 3 und 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der ein Spiegel 4 und Montageschnittstellen 5 in das Stabtragwerk 2 integriert sind, die während des Laserschmelzverfahrens zusammen mit dem Stabtragwerk 2 hergestellt werden.
Stabtragwerk 2, Spiegel 4 und Montageschnittstelle 5 bilden dann eine komplette optische Baueinheit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1480005 A1 [0006]
US 2988959 A [0007]
US 6589984 B2 [0007]

Claims

Leichtbaustruktur (1) zum Halten eines Funktionselements, insbesondere eines Spiegels (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtbaustruktur (1) einteilig als Stabtragwerk (2) aus Polyedern ausgebildet ist.
Leichtbaustruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyeder als Tetraeder (3) ausgebildet sind.
Leichtbaustruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyeder derart zusammengesetzt sind, dass die Vorder- und Rückseite (V, R) zwei zueinander parallele Ebenen ausbilden.
Leichtbaustruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtbaustruktur (1) aus einem einzigen Werkstoff besteht.
Leichtbaustruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff AlSi10Mg ist.
Leichtbaustruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Leichtbaustruktur (1) das Funktionselement und/oder mindestens eine Montageschnittstelle (5) integriert ist.
Verfahren zur Herstellung einer Leichtbaustruktur (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtbaustruktur (1) mittels selektivem Laderschmelzen als Stabtragwerk (2) aus Polyedern hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyeder als Tetraeder (3) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spiegel (4) und/oder mindestens eine Montageschnittstelle (5) zusätzlich durch das Laserschmelzen hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff AlSi10Mg verwendet wird.