DE102014214016A1

DE102014214016A1 - Lightweight structure and method for producing a lightweight structure

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).The invention relates to a lightweight structure (1) for holding a functional element, in particular a mirror (4), wherein the lightweight structure (1) is integrally formed as a bar structure (2) made of polyhedra, and a method for producing a lightweight structure (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Leichtbaustruktur zum Halten eines Funktionselements, insbesondere eines Spiegels, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Leichtbaustruktur. The invention relates to a lightweight structure for holding a functional element, in particular a mirror, and to a method for producing a lightweight structure.

Insbesondere für optische Spiegel in der Astronomie und Fernerkundung benötigt man sehr stabile und leichte Strukturen für den Spiegel. Especially for optical mirrors in astronomy and remote sensing you need very stable and light structures for the mirror.

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. Optical mirror structures are either made of solid material bodies that are subtractive processed for light weighting back or across the mirror surface or they are composed of available lightweight components. The processing of the mirror surfaces is then carried out by optical finishing. For the dimensional stability, thermally low-expansion materials, such as e.g. Zerodur, ULE or SiC used or metals with high thermal conductivity such as Al or Be. For composite structures, CRFM has also been proposed as a carrier with laminated mirror elements.

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. The low-expansion materials technologies are expensive and limited in weighting by the lower mechanical capability of metals. Mounting interfaces are supplemented by attached components and must be specially examined and tested with regard to optical quality.

Verbundstrukturen sind technologisch noch komplexer und unterliegen oft größerer Sensitivität gegenüber Umwelteinflüssen wie z.B. Temperatur und Feuchtigkeit. Composite structures are technologically even more complex and often subject to greater environmental sensitivity, such as e.g. Temperature and humidity.

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. From the EP 1 480 005 A1 is a lightweight structural element with a base and one of these oppositely arranged top surface known, wherein within the lightweight structural element several respectively parallel aligned cylindrical cavities are formed.

Ähnliche Strukturen sind aus der US 2,988,959 A sowie der US 6,589,984 B2 bekannt. Similar structures are from the US 2,988,959 A as well as the US 6,589,984 B2 known.

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. Furthermore, a process has been known for some time, in particular for producing prototypes, which is also referred to as selective laser melting or laser melting. This method is very similar to the known 3D printing. During laser melting, homogeneous metal parts are produced by CAD data from metal powders using 3D laser technology. This allows the construction of complex structures that are largely free of pores and cracks.

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. The invention is based on the technical problem of providing a lightweight structure which can be constructed more easily with sufficiently high stability. Another technical problem is the provision of a method for producing such a lightweight structure.

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. The solution of the technical problem results from a lightweight structure with the features of claim 1 and a method having the features of claim 7. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

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. For this purpose, the lightweight structure for holding a functional element, in particular a mirror, is integrally formed as a truss structure of polyhedra. This allows a very light and stable construction. In this case, the bar structure is produced by means of selective laser melting. Through this additive production, the weight can be reduced by up to 85% compared to a solid body, which is also a significant improvement compared to the subtractive method, which only achieve about 60% weight reduction compared to the solid body.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Polyeder als Tetraeder ausgebildet, der insbesondere hinsichtlich der Stabilität sehr gut ist. In a preferred embodiment, the polyhedron is formed as a tetrahedron, which is very good in terms of stability in particular.

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. In a further embodiment, the polyhedra are assembled such that the front and back form two mutually parallel planes. It can be provided that the polyhedra form one or more layers.

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. In principle, it is conceivable that the bar structure consists of several materials. Preferably, however, a single material is used, which is preferably formed as metal or metal alloy.

Als besonders vorteilhaft hat sich dabei AlSi10Mg erwiesen. AlSi10Mg has proved particularly advantageous.

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. In a further embodiment, the functional element, in particular a mirror and / or at least one mounting interface is integrated into the lightweight structure. This allows the production of a complete one-piece component without separate joints. The mirror can then be reworked after the actual production, for example by means of diamond turning optically. This can be followed by further polish steps or reflective coatings.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment. The figures show:

1 eine perspektivische Vorderansicht auf ein aus Tetraedern zusammengesetztes Stabtragwerk, 1 a perspective front view of a composed of tetrahedra bar structure,

2 eine perspektivische Seitenansicht auf das Stabtragwerk, 2 a perspective side view of the bar structure,

3 eine perspektivische Vorderansicht auf das Stabtragwerk mit integriertem Spiegel und Montageschnittstellen und 3 a front perspective view of the bar structure with integrated mirror and mounting interfaces and

4 eine perspektivische Rückansicht auf das Stabtragwerk gemäß 3. 4 a perspective rear view of the bar structure according to 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 the 1 and 2 is a lightweight structure 1 in the form of a bar structure 2 shown, with the bar structure 2 made of tetrahedrons 3 composed of a single tetrahedron 3 is highlighted by hatching. In this case, the front side V forms a plane which is spanned by the two "straight lines" g1 and g2. Accordingly, the back R forms a plane which is spanned by the two lines g3 and g4. The plane of the front V is parallel to the plane of the back R. Here is the bar structure 2 formed a single layer, ie a tetrahedron has at least one corner in the plane of the front V and at least one corner in the plane of the back R. The bar structure 2 is produced by selective laser melting, wherein the material is preferably AlSi10Mg.

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. In the 3 and 4 an embodiment is shown in which a mirror 4 and mounting interfaces 5 into the bar structure 2 integrated during the laser fusion process together with the bar structure 2 getting produced.

Stabtragwerk 2, Spiegel 4 und Montageschnittstelle 5 bilden dann eine komplette optische Baueinheit. Staff structure 2 , Mirror 4 and mounting interface 5 then form a complete optical unit.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1480005 A1 [0006]
US 2,988,959 A [0007]
US 6589984 B2 [0007]

Claims

Lightweight structure ( 1 ) for holding a functional element, in particular a mirror ( 4 ), characterized in that the lightweight structure ( 1 ) in one piece as a bar structure ( 2 ) is formed of polyhedra.

Lightweight structure according to claim 1, characterized in that the polyhedra as a tetrahedron ( 3 ) are formed.

Lightweight structure according to claim 1 or 2, characterized in that the polyhedra are composed such that the front and back (V, R) form two mutually parallel planes.

Lightweight structure according to one of the preceding claims, characterized in that the lightweight structure ( 1 ) consists of a single material.

Lightweight structure according to claim 4, characterized in that the material is AlSi10Mg.

Lightweight structure according to one of the preceding claims, characterized in that in the lightweight structure ( 1 ) the functional element and / or at least one mounting interface ( 5 ) is integrated.

Method for producing a lightweight structure ( 1 ), characterized in that the lightweight structure ( 1 ) by means of selective supercharger melting as a bar structure ( 2 ) is made of polyhedra.

Process according to claim 7, characterized in that the polyhedra is a tetrahedron ( 3 ) be formed.

Method according to claim 7 or 8, characterized in that a mirror ( 4 ) and / or at least one mounting interface ( 5 ) are additionally produced by the laser melting.

Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that as material AlSi10Mg is used.