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Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Leitungselements, insbesondere ein additiv gefertigtes Leitungselement.
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In den letzten Jahren wird in der Luft- und Raumfahrtechnik bei komplexen Bauteilen immer öfter auf additive Fertigung gesetzt. Im Gegensatz zur herkömmlichen spanenden Bearbeitung von metallischen Elementen werden bei einer additiven Fertigung nur jene Werkstoffmengen verwendet, die eine hydraulische oder strukturmechanische Funktion aufweisen. Insbesondere bei einem Ventilblock für Flugsteuerungsaktuatoren und Fahrwerkssysteme kann durch die komplexe Leitungsführung ein spanabhebendes Verfahren nicht sämtliche Werkstoffmengen abtragen, die keine strukturmechanische Funktion haben. Im Gegensatz dazu wird durch ein additiv gefertigtes oder auch generativ erzeugtes Leitungselement diese Art von nicht benötigten Materialanhäufungen verhindert. Die dadurch entstehende Gewichtsverminderung ist ein weiterer Vorteil für die Verwendung additiv gefertigter Elemente in der Luft- und Raumfahrttechnik.
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Aus dem Praxiseinsatz generativ gefertigter, komplex verzweigter fluidführender Leitungssysteme ist bekannt, dass diese bei dynamischer Beanspruchung eine Tendenz zum Versagen aufweisen. Als Ursachen hierfür werden eine mangelnde Oberflächengüte und/oder eine geringere Schwingfestigkeit des durch ein additives Herstellungsverfahren erzeugten metallischen Werkstoffs erachtet. Diese Beobachtung gilt für sämtliche derzeit bekannten additiven Herstellungsverfahren wie Selective Laser Melting, SLM, Selective Laser Sintering, SLS, oder Electron Beam Melting, EBM, die alle zur generativen Fertigung eines metallischen Bauteils verwendet werden können. In der Umgangssprache wird das additive Fertigen bzw. die generative Erzeugung eines Werkstoffs auch als „3-D Drucken” bezeichnet.
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Die vorgenannten Probleme werden durch ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 oder durch eine Kombination mit einem oder mehreren der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren umfasst das Leitungsbauteil, insbesondere ein additiv gefertigtes Leitungsbauteil, ein Leitungselement zum Leiten eines Fluids von einer ersten Öffnung zu einer zweiten Öffnung, und eine mit dem Leitungselement in Verbindung stehende Leitungsabzweigung zum Leiten des Fluids zu einer dritten Öffnung, wobei ein Außenbereich des Leitungsbauteils mit Hilfe eines numerischen Optimierungsprogramms belastungsgerecht ausgeführt ist und dadurch eine Vielzahl von unregelmäßigen topologischen Strukturen in seinem Außenbereich aufweist. Wobei in dem Herstellungsverfahren des Leitungsbauteils eine Kerbe an der Innenseite des Leitungselements eingebracht wird, die zur Entlastung einer Spannung in einem hochbelasteten Zustand des Leitungsbauteils oder des Leitungselements dient, ein partikelgefüllter Gasstrom durch das Innere des Leitungsbauteils geführt wird, um die Innenseite des Leitungsbauteils zu glätten, und/oder das Leitungsbauteil einer Druckbeaufschlagung unterzogen wird, um eine plastische Verformung an einer Innenoberfläche des Leitungsbauteils zu erzeugen.
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Das Bauteil umfasst ein Leitungselement zum Leiten eines Fluids von einer ersten Öffnung zu einer zweiten Öffnung, und eine mit dem Leitungselement in Verbindung stehende Leitungsabzweigung zum Leiten des Fluids zu einer dritten Öffnung. Vorzugsweise ist das Leitungsbauteil aus einem metallischen Werkstoff gebildet. Die Leitungsabzweigung steht mit dem Leitungselement in Verbindung und ermöglicht einen alternativen Strömungsweg für ein in dem Leitungselement strömendes Fluid. Da das Leitungsbauteil zum Einströmen und Ausströmen des Fluids zwei Öffnungen und einen diese Öffnungen verbindenden Strömungskanal, also das Leitungselement, aufweist, ordnet sich die Leitungsabzweigung derart an dem Leitungselement an, dass der Strömungskanal eine Verbindung zu einer dritten Öffnung aufweist. Durch die Leitungsabzweigung ist es demnach möglich, zwei voneinander unabhängige Fluidströmungen zu vereinigen und durch eine gemeinsame Öffnung aus dem Leitungsbauteil ausströmen zu lassen, oder eine gemeinsame Fluidströmung in das Leitungsbauteil einzubringen und diese durch die zwei anderen Öffnungen getrennt voneinander ausströmen zu lassen.
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Die Kerbe an der Innenseite des Leitungselements dient zur Entlastung einer Spannung des Leitungselements in einem hochbelasteten Zustand. Dabei beschreibt die Kerbe eine Nut, die eine lokal begrenzte Ausnehmung zum Umgebungsniveau der Innenseite darstellt, dabei aber eine Wanddicke des Leitungselements nicht durchbricht. Die Innenseite des Leitungselements beschreibt die Bereiche eines Leitungselements, die bei einem Leiten eines Fluids mit diesem in Berührung kommen können.
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Im vereinfachten Fall eines additiv gefertigten Leitungselements weist dieses beispielsweise einen zylindrischen Grundkörper auf, dessen Mantelfläche von einer ebenfalls etwa zylindrisch ausgeformte Leitungsabzweigung durchbrochen ist. Hierbei ist klar, dass die Innenseite der zylindrischen Grundformen beim Leiten eines Fluids mit diesem in Kontakt kommt.
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Das Vorsehen der Kerbe an der Innenseite des Leitungselements kann den Kraftfluss, der beim Beaufschlagen des Leitungselements mit einem unter Druck stehenden Fluid erzeugt wird, umlenken und trägt somit zum Abbau von Kerbspannungen bei Leitungsabzweigungen bei.
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Zur weiteren Verbesserung der Dauergebrauchseigenschaften des Leitungsbauteils ist vorgesehen, dass ein Außenbereich des Leitungsbauteils mit Hilfe eines numerischen Optimierungsprogramms belastungsgerecht ausgeführt ist und dadurch eine Vielzahl von unregelmäßigen topologischen Strukturen in seinem Außenbereich aufweist.
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Mit Hilfe des numerischen Optimierungsprogramms wird der Zustand des Leitungsbauteils bei der Zufuhr eines unter hohem Druck stehenden Fluids simuliert und aus diesen Berechnungen eine dazu optimale Außenform des Leitungsbauteils abgeleitet. Diese optimale Bauform schlägt sich in einer Vielzahl von unregelmäßigen topologischen Strukturen in dem Außenbereich nieder. Durch die Zuhilfenahme des numerischen Optimierungsprogramms erfolgt demnach die konstruktive Gestaltung des Leitungsbauteils, sodass sich die äußere Gestalt belastungsgerecht ausführen lässt. Insbesondere ist dieses Vorgehen dann vorteilhaft, wenn die inneren Strukturen des Leitungsbauteils starken geometrischen Beschränkungen unterliegen und keine oder nur geringfügige topologische Änderungen zulassen.
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Durch das Vorsehen der unregelmäßigen Strukturen in dem Außenbereich werden die besonders druckanfälligen Bereiche bzw. die beim Einleiten eines unter großem Druck stehenden Fluids besonders stark beanspruchten Bereiche des Leitungsbauteils durch eine dickere Ausführung in ihrer Struktur verstärkt, wodurch die Dauergebrauchseigenschaft des Leitungsbauteils verbessert wird. Andere weniger stark beanspruchte Bereiche des Leitungsbauteils hingegen werden dünner ausgeführt, um möglichst wenig Material zu verwenden.
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Ferner offenbart die Erfindung in dem Herstellungsverfahren das Merkmal, dass zum Glätten der Innenseite des Leitungsbauteils ein partikelgefüllter Gasstrom durch das Innere des Leitungselements geführt wird.
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Durch Glätten der Oberflächenrauheit nimmt die mechanische Beanspruchbarkeit des Leitungsbauteils zu. Gemäß der Erfindung wird die Innenseite des Leitungsbauteils mit Hilfe eines partikelgefüllten Gasstroms, der durch das Innere des Leitungsbauteils geführt wird, geglättet. Beispielsweise wird ein mit Partikel versehener Gasstrom an einer ersten Öffnung des Leitungsbauteils eingeführt und an einer zweiten Öffnung des Leitungsbauteils herausgeführt. Da die Partikel auf ihrem Weg von der ersten Öffnung zu der zweiten Öffnung gegen die Innenwand des Leitungsbauteils schlagen, erfolgt eine Abtragung etwaiger daran anhaftender Pulver- bzw. Granulatmengen, die aus dem Fertigungsprozess der generativen Erzeugung stammen. Darüber hinaus erfolgt eine vermindernde Oberflächenrauheit durch die Kollision der Partikel mit der Innenwand des Leitungsbauteils. Eine so geglättete Innenseite des Leitungsbauteils erlaubt eine größere mechanische Beanspruchung, wie bei einem Zuführen eines unter Druck stehenden Fluids.
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Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung weiter das Merkmal aufweisen, dass das Leitungsbauteil einer Druckbeaufschlagung unterzogen wird, wobei an einer Innenoberfläche des Leitungsbauteils die Druckbeaufschlagung über der Fließgrenze des Werkstoffs des Leitungsbauteils liegt. Vorzugsweise erfolgt die Druckbeaufschlagung durch Einbringen eines Mediums in das Leitungsbauteil.
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Durch die Druckbeaufschlagung des Leitungsbauteils mit Hilfe des Mediums wird eine so hohe Materialbeanspruchung in einem Bereich an der Innenseite des Leitungsbauteils erzielt, dass dieser Bereich einem Druck ausgesetzt wird, der oberhalb der Fließgrenze des Werkstoffs liegt. Der Druck ist also so groß, dass sich der Werkstoff verformt. Dadurch lassen sich bei additiv gefertigten Bauteilen Druckeigenspannungen erzeugen, die die Dauergebrauchseigenschaften positiv beeinflussen.
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Es wird also in ein Leitungsbauteil ein Medium eingeführt, das im Inneren des Leitungsbauteils einen so großen Druck erzeugt, sodass die Fließgrenze des Werkstoffs an der Innenseite des Leitungsbauteils überschritten wird.
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Typischerweise liegt die Materialbeanspruchung in der Druck zugewandten Oberfläche des Bauteils über der Fließgrenze des Werkstoffs. Dabei ist es ferner von Vorteil, wenn der Druckbereich weiterhin so gewählt wird, dass die der Druckseite abgewandte Oberfläche des Bauteils weitestgehend linear-elastisch verformt wird.
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Vorzugsweise wird das Leitungsbauteil (2) additiv gefertigt, indem ein partikelförmiger Werkstoff in einem vorbestimmten Bereich auf einer Basisschicht des zu fertigenden Leitungsbauteils aufgeschichtet wird, und der aufgeschichtete partikelförmige Werkstoff mittels einer Wärmequelle derart erwärmt wird, dass sich die Partikel des Werksstoffs innerhalb vorbestimmter Abmessungen miteinander und/oder der Basisschicht verbinden. Dem Fachmann ist klar, dass diese Erzeugungsschritte beliebig oft hintereinander wiederholt werden können, bis ein Rohteil oder ein Rohteilsegment teilweise oder vollständig fertiggestellt ist.
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Als additiv gefertigtes Leitungsbauteil wird jedes generativ erzeugte Element angesehen, das zum Leiten eines Fluids geeignet ist.
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Vorzugsweise wird die Kerbe so gebildet, dass die Kerbe im Wesentlichen entlang einer Strömungsrichtung des Leitungselements und/oder im Wesentlichen entlang der Längsrichtung des Leitungselements verläuft. Dabei wird eine besonders effektive Spannungsverminderung im Leitungsbauteil bei einem Einführen bzw. Leiten eines sehr stark und Druck stehenden Fluids beobachtet.
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Nach einem weiteren vorteilhaften, optionalen Merkmal der Erfindung ist es von Vorteil, wenn die Kerbe des Leitungsbauteils im Wesentlichen geradlinig verläuft. Hierbei wird ebenfalls eine Verminderung der auftretenden Spannungen erreicht.
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Zudem ist von Vorteil, wenn die Kerbe im Wesentlichen eine solche Form aufweist, die einem Teil einer Zylinderaußenfläche entspricht. Vorzugsweise ist die Kerbe so ausgeformt, dass sie durch ein Eindrücken eines Zylinderkörpers in die Innenseite des Leitungselements gebildet werden kann. Die Form der Ausnehmung lässt sich dabei gut anhand einer geometrischen Zylinderform beschreiben, die um ein bestimmtes Maß in die Innenseite des Leitungselements eingedrückt wird. Dabei muss die Eindrücktiefe des geometrischen Zylinders nicht unbedingt die Hälfte des Zylinderdurchmessers sein, sondern kann weniger oder mehr als die Hälfte des Zylinderdurchmessers betragen. Dabei ergibt sich eine in etwa trogförmige oder tonnenförmige Ausnehmung. Dem Fachmann ist klar, dass zum Bilden einer solchen Kerbe selbstverständlich nicht erst eine homogen verlaufende Innenseite des Leitungselements gebildet werden muss, sondern dass die Kerbe bereits während der additiven Fertigung Berücksichtigung finden kann. Dabei kann auch die vorteilhafterweise verwendete Tonnenform bzw. die trogförmige Ausnehmung der Kerbe direkt bei der additiven Fertigung vorgesehen werden.
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Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Kerbe teilweise oder ganz in einem Innenumfangsbereich des Leitungselements angeordnet wird, indem sich auch die Leitungsabzweigung von dem Leitungselement befindet. Dieses Merkmal beschreibt also einen örtlichen Zusammenhang der Anordnungsposition der Kerbe zur Leitungsabzweigung des Leitungselements. Als Innenumfangsbereich wird hierbei der quer zur Strömungsrichtung des Leitungselements verlaufende Innenbereich angesehen, in dem eine Verbindung zur Leitungsabzweigung vorhanden ist bzw. der sich mit der Öffnung in dem Leitungselement für die Abzweigung überschneidet. Im vereinfachten Beispiel eines zylindrischen Leitungselements, bedeutet dies, dass die Kerbe ganz oder teilweise auf derselben Höhe wie eine Ausnehmung zur Leitungsabzweigung an der Innenseite des Leitungselements angeordnet ist. Beispielsweise ist die Kerbe direkt auf der der Leitungsabzweigung gegenüberliegenden Innenseite des Leitungselements angeordnet. Dieses Merkmal beschreibt zudem, dass die Kerbe nicht vollständig ober- oder unterhalb der Leitungsabzweigung liegen soll.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der Erfindung wird die Kerbe ganz oder teilweise in einem an die Leitungsabzweigung angrenzenden Bereich gebildet, der zu einer durch den geometrischen Schwerpunkt der Innenquerschnittsfläche des Leitungselements und die Mitte der Ausnehmung des Leitungselements für die Leitungsabzweigung definierten Bezugsgeraden einen Winkel ≤ 75°, vorzugsweise einen Winkel ≤ 45°, bevorzugter Weise einen Winkel ≤ 15° mit einer Mitte einer Kerbe aufweist. Die Mitte der Kerbe wird ebenfalls in der Querschnittsansicht bestimmt. Anstelle der Mitte der Kerbe kann der Winkel auch anhand der tiefsten Stelle der Kerbe (aus Sicht der Querschnittsansicht) bestimmt werden.
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Mit Hilfe dieses Merkmals wird die Anordnungsposition der Kerbe in Bezug auf die Ausnehmung des Leitungselements, die die Leitungsabzweigung definiert, festgelegt. Dabei wird in einer Querschnittsansicht des Leitungselements auf Höhe der Ausnehmung für die Leitungsabzweigung eine Mitte der Querschnittsfläche es Leitungselements zum Strömen eines Fluids genutzt, um die Nähe der Kerbe zur Leitungsabzweigung zu definieren. In dieser Querschnittsansicht, in der auch die Mitte der Querschnittsfläche des Leitungselements zur Fluidleitung bestimmt wird, wird zudem die Mitte der Ausnehmung der Leitungsabzweigung bestimmt. Diese beiden Punkte (Mitte der Querschnittsfläche des Leitungselements zur Fluidleitung und Mitte der Ausnehmung, die die Leitungsabzweigung bildet) bilden eine Gerade, an der von der Mitte der Querschnittsfläche des Leitungselements aus ein Winkel angelegt wird, der einen Bereich an der Innenseite des Leitungselements definiert, in dem die Kerbe ganz oder teilweise angeordnet ist. Der Winkel beträgt ≤ 75°, vorzugsweise ≤ 45° und bevorzugter Weise ≤ 15°. Die Anordnung der Kerbe innerhalb dieses Bereichs in der Nähe der Kanalabzweigung führt zu einem besonders effektiven Abbau von Spannungen beim Einführen eines unter hohem Druck stehenden Fluids in das Leitungsbauteil, da die Kerbe in der Nähe der Leitungsabzweigung angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist der Außenbereich des Leitungsbauteils ein Außenumfangsbereich. Weiter vorzugsweise ist der mit einer Vielzahl von unregelmäßigen topologischen Strukturen versehene Außenumfangsbereich der Bereich eines Leitungselements zum Leiten eines Fluids von einer ersten Öffnung zu einer zweiten Öffnung, wobei das Leitungsbauteil auch eine mit dem Leitungselement in Verbindung stehende Leitungsabzweigung zum Leiten des Fluids zu einer dritten Öffnung aufweist, und die Leitungsabzweigung ebenfalls aus dem Umfangsbereich angeordnet ist.
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Demnach umfasst das Leitungsbauteil eine mit dem Leitungselement in Verbindung stehende Leitungsabzweigung, die sich von einem Verbindungsbereich des Leitungselements abzweigt, wobei die unregelmäßigen topologischen Strukturen in dem Außenumfangsbereich des Leitungselements auftreten, der mit dem Verbindungsbereich zusammenfällt. Als Verbindungsbereich wird hierbei der Bereich des Leitungselements gesehen, der mit der Leitungsabzweigung in Verbindung steht.
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Als weiteres die Dauergebrauchseigenschaften eines Leitungsbauteils verbesserndes Merkmal, das mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen kombiniert werden kann, wird vorgeschlagen, einen Innenbereich des Leitungsbauteils mit Hilfe eines numerischen Optimierungsprogramms belastungsgerecht auszuführen, sodass dieser dadurch eine Vielzahl von unregelmäßigen topologischen Strukturen in seinem Innenbereich aufweist.
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Sind geometrische Änderungen im Inneren des Leitungsbauteils zulässig, ist es von Vorteil wenn eine Modifikation dieser Topologie erfolgt. Vorzugsweise betreffen diese Änderungen insbesondere Bereiche, in welchen Geometrieunstetigkeiten vorherrschen, wie etwa Kanalabzweige oder Verschneidungsbereiche. Die Ausgestaltung der Übergangszonen zwischen mindestens zwei Grundstrukturen fokussiert sich dabei auf die Reduktion bzw. die Umleitung von mechanischen Spannungen in weniger belastete Bauteilbereiche. Dies erfolgt unter zur Hilfenahme eines numerischen Optimierungsprogramms, bei dem die Belastung des Leitungsbauteils bei der Zuführung eines unter hohem Druck stehenden Fluids simuliert wird. Anhand der daraus gewonnenen Ergebnisse ergibt sich die Anordnung einer Vielzahl von unregelmäßigen topologischen Strukturen in dem Innenbereich des Leitungsbauteils.
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Vorzugsweise ist der Innenbereich des Leitungsbauteils ein Innenumfangsbereich.
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Nach einer weiteren optionalen Modifikation des Leitungsbauteils umfasst dieses ein Leitungselement zum Leiten eines Fluids von einer ersten Öffnung zu einer zweiten Öffnung und eine mit dem Leitungselement in Verbindung stehende Leitungsabzweigung zum Leiten des Fluids zu einer dritten Öffnung. Dabei treten die unregelmäßigen topologischen Strukturen in dem Innenumfangsbereich des Leitungselements auf, der mit dem äußeren Verbindungsbereich von Leitungsabzweigung und Leitungselement zusammenfällt. Hierbei werden die topologischen Strukturen auf den Abschnitt des Leitungselements konzentriert, der aufgrund der Leitungsabzweigung bei der Zufuhr eines unter Druck stehenden Fluids besonderen Kräften ausgesetzt ist.
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Typischerweise erfolgt die Erzeugung eines additiv gefertigten Leitungsbauteils durch Selective Laser Melting, Selective Laser Sintering oder Electron Beam Melting. Dabei wird der Grundstoff des Leitungsbauteils in Granulatform oder Pulverform bereitgestellt und mit Hilfe eines Lasers oder eines Elektronenstrahls verflüssigt, sodass er sich mit angrenzendem ebenfalls verflüssigtem Granulat vereinigt. Dadurch entsteht eine erste Schicht des durch additive Fertigung erzeugten Leitungsbauteils. In einem weiteren Schritt wird diese erste Schicht um den Betrag ihrer Höhe abgesenkt und mit Granulat bedeckt. Anschließend erfolgt eine Wiederholung der vorstehend genannten Schritte, sodass sukzessive mehrere Schichten eines erhitzten Granulats miteinander vereinigt werden. Das Granulat oder Pulver kann nach der Fertigstellung des additiv gefertigten Leitungsbauteils an Randbereichen an den funktionalen Oberflächen noch anhaften. Zudem entsteht durch die schichtweise Fertigung ein Leitungsbauteil, das eine große Oberflächenrauheit besitzt.
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Daher ist es von Vorteil, wenn die zur Glättung eingesetzten Partikel des Gasstroms eine abrasive und/oder verdichtende Wirkung aufweisen, um den Materialabtrag an der Innenseite des Leitungsbauteils zu homogenisieren. Dies verkürzt die Zeit, in der der partikelgefüllte Gasstrom durch das Innere des Leitungsbauteils geführt werden muss und erzielt somit das gewünschte Ergebnis in kürzerer Zeit.
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Nach einer weiteren Modifikation dieses Verfahrens wird der partikelgefüllte Gasstrom in einen Bereich der geringsten Strömungsgeschwindigkeit des Leitungsbauteils zugeführt. Beispielsweise weist das Leitungsbauteil ein Leitungselement zum Leiten eines Fluids von einer ersten Öffnung zu einer zweiten Öffnung und eine mit dem Leitungselement in Verbindung stehende Leitungsabzweigung zum Leiten des Fluids zu einer dritten Öffnung auf. Dann wird der partikelgefüllte Gasstrom an der Öffnung eingebracht, die gemäß der Strömungslehre die geringste Strömungsgeschwindigkeit aufweist.
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Vorzugsweise wird bei Durchführung des Verfahrens die Strömungsrichtung des partikelgefüllten Gasstroms gewechselt, um die Glättung der Innenseite des Leitungsbauteils zu verbessern. Demnach wird also die eindringende Richtung des Gasstroms zur Ausbringrichtung und umgekehrt. Dabei werden die Kollisionsbereiche der in dem Gasstrom vorhandenen Partikel geändert und eine wirkungsvollere Glättung erzielt.
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Für die Bearbeitung eines Leitungsbauteils mit mehr als einer Abzweigung sind Einzelströmungen von mindestens einer zu mindestens einer anderen Öffnung mittels eines Druckunterschieds zu etablieren.
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Weitere Details und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnungen wiedergegeben. Es zeigen:
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1: Ein herkömmliches Leitungsbauteil nach dem Stand der Technik,
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2: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Leitungsbauteils mit einer Kerbe,
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3: eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Leitungsbauteils mit Kerbe, mit einer Illustration der wirkenden Kräfte bei Einführen eines unter Druck stehenden Fluids,
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4: eine Querschnittansicht des erfindungsgemäßen Leitungsbauteils mit Kerbe,
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5: eine Vergleichsdarstellung zweier Leitungsbauteile zur Kenntlichmachung des erfindungsgemäßen Leitungsbauteils, das eine Vielzahl unregelmäßiger topologischer Strukturen in seinem Außenbereich aufweist,
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6: eine Vergleichsdarstellung zweier Leitungsbauteile in einer Schnittansicht zur Kenntlichmachung des erfindungsgemäßen Leitungsbauteils mit einer Vielzahl unregelmäßiger topologischer Strukturen in seinem Innenbereich,
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7: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Leitungsbauteils während eines Glättens der Innenseite durch einen partikelgefüllten Gasstrom,
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8: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Leitungsbauteils während eines Glättens der Innenseite durch einen partikelgefüllten Gasstrom,
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9: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Bauteils bei einer Druckbeaufschlagung, die oberhalb der Fließgrenze des Werkstoffs des Leitungsbauteils liegt.
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1 zeigt ein herkömmliches Leitungsbauteil 10, das durch additive Fertigung hergestellt worden ist. Man erkennt das Leitungselement 1 des Leitungsbauteils 10, das zum Leiten eines Fluids von einer ersten Öffnung zu einer zweiten Öffnung dient, und einen mit dem Leitungselement 1 in Verbindung stehenden Leitungsabzweigung 2 zum Leiten des Fluids zu einer dritten Öffnung. Die Grundform des Leitungselements 1 entspricht im Wesentlichen einem hohlen Zylinder, der in seiner Mantelfläche eine Ausnehmung zur Verbindung mit der Leitungsabzweigung 2 aufweist.
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2 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Leitungsbauteils 10, in der das Leitungselement 1, die Leitungsabzweigung 2 und die Kerbe 3 zu sehen ist. Die Kerbe 3 erstreckt sich in Richtung einer Strömungsrichtung eines in dem Leitungselement fließenden Fluids von der ersten Öffnung zu der zweiten Öffnung. Die Kerbe 3 befindet sich nahe einer Leitungsabzweigung 2 und dient zum Verringern von Spannungen, die bei einem Einführen eines unter Druck stehenden Mediums in das Leitungsbauteil 10 auftreten. Mit h wird die Länge der Kerbe 3 dargestellt. Die Kerbe 3 entspricht in der Figur einer trogförmigen Ausnehmung, die einem Teil einer Zylinderaußenfläche entspricht, wobei die Höhe des Zylinders h ist. Es ist nicht erforderlich, dass die Kerbe 3 eine Form eines entlang seiner Rotationsache geteilten Zylinders aufweist. Dies ist lediglich eine mehrerer möglichen Varianten.
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3 zeigt eine Illustration der Bilds aus 2 zur Darstellung der Krafteinwirkungen bei einem Durchfließen des Leitungsbauteils 10 mit einem unter Druck stehenden Medium. Man erkennt, dass im Bereich der Kerbe 3 Bereiche hoher Krafteinwirkung (dunkel dargestellt) auftreten. Dadurch wird deutlich, dass die Kerbe Spannungen aufnimmt, und somit die Dauergebrauchseigenschaft des Leitungsbauteils 10 verbessert. Zudem ist ein Koordinatensystem ausgehend von der Rotationsachse des im Wesentlichen zylinderförmigen Leitungselements 1 dargestellt, anhand dessen die Positionierung der Kerbe 3 in dem Leitungselement 1 beschrieben werden kann.
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In 4 sieht man eine teilweise Querschnittsansicht des Leitungselements 1, die auch einen Öffnungsbereich des Leitungsbauteils 10 für die davon abgehende Leitungsabzweigung 2 umfasst. Die Figur gibt nur die obere Hälfte der Querschnittsansicht wider, wobei die untere Hälfte der Querschnittansicht vorzugsweise durch eine Spiegelung an einer horizontal verlaufenden Linie erhalten werden kann.
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Zur Definition einer Bezugsgeraden 33 werden zwei Punkte in der Querschnittsansicht festgelegt. Der eine ist der geometrische Schwerpunkt 31 der Innenquerschnittsfläche des Leitungselements 1 ohne Berücksichtigung der Öffnung für die Leitungsabzweigung. Der andere ein Mittelpunkt 32 zwischen den beiden in der Querschnittsansicht dargestellten Randbereichen des Leitungselements 1, die den Übergangsbereich zur Leitungsabzweigung definieren. In der Figur verläuft die Bezugsgerade 33 demnach ausgehend von der Mitte 31 des kreisförmigen Innenquerschnitts des Leitungselements 1 in Richtung der Leitungsabzweigung 2, so dass der Öffnungsbereich des Leitungselements für die Abzweigung etwa mittig durchteilt wird. Ausgehend vom geometrischen Schwerpunkt 31 der Innenquerschnittsfläche schließt eine Verbindungsgerade 34, die von der Mitte der Kerbe 3 zum geometrischen Schwerpunkt 31 verläuft, einen Winkel φ ein. Als alternativen Bezugspunkt anstelle der Mitte der Kerbe kann auch der tiefste Punkt der Kerbe 3 in der Querschnittsansicht verwendet werden. Dieser Winkel φ soll vorteilhafterweise ≤ 75°, vorzugsweise ≤ 45° und bevorzugterweise ≤ 15° sein. Je näher die Kerbe 3 an der Leitungsabzweigung 2 positioniert wird, desto besser lassen sich auftretende Kräfte bei einer Druckbelastung des Leitungsbauteils 10 reduzieren.
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Als Mitte der Querschnittsfläche des Leitungselements bei einer unregelmäßigen Formgebung wird hierbei auf den geometrischen Schwerpunkt der Querschnittsfläche abgestellt. Im dargestellten Beispiel einer im Wesentlichen kreisförmigen Querschnittsfläche des Leitungselements 1 ist dies der Kreismittelpunkt, der in der Rotationsachse eines zylinderförmigen Grundaufbaus liegt.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Verbesserung der Dauergebrauchseigenschaften eines Leitungsbauteils 10, indem man eine Gegenüberstellung eines herkömmlich ausgebildeten Leitungsbauteils gegenüber einem erfindungsgemäßen Leitungsbauteil 10 sieht. Das erfindungsgemäße Leitungsbauteil weist einen Außenbereich auf, der mit Hilfe eines numerischen Optimierungsprogramms belastungsgerecht ausgeführt ist. Als Ergebnis dieser numerischen Optimierung weist das Leitungsbauteil 10 eine Vielzahl von unregelmäßigen topologischen Strukturen in seinem Außenbereich auf.
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In der Figur erkennt man, dass die topologischen Strukturen 4 des Leitungselements 1 nur in einem Außenumfangsbereich vorhanden sind, der mit dem Verbindungsbereich mit der Leitungsabzweigung 2 zusammenfällt. D. h. die topologischen Strukturen 4 werden insbesondere in der Nähe eines Abzweigungsbereichs von dem Leitungselement 1 angeordnet. Dadurch lässt sich die äußere Gestalt des Leitungsbauteils 10 belastungsgerecht ausführen. Dieses Vorgehen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die inneren Strukturen starken geometrischen Limitierungen unterliegen und nur geringfügige topologische Änderungen erlauben.
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6 zeigt eine Gegenüberstellung zweier additiv gefertigter Leitungsbauteile, wobei eines einen herkömmlich ausgeformten Innenbereich und das andere einen nach der Erfindung ausgeformten Innenbereich aufweist.
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Die linke Darstellung zeigt das herkömmlich gebildete Leitungsbauteil, mit dem Leitungselement 1 und der Leitungsabzweigung 2. Die rechte Darstellung der 6 zeigt das erfindungsgemäße Leitungsbauteil 10, in dem der Innenbereich des Leitungsbauteils mit Hilfe eines numerischen Optimierungsprogramms belastungsgerecht ausgeführt ist und dadurch eine Vielzahl von unregelmäßigen topologischen Strukturen in seinem Innenbereich aufweist. Man erkennt, dass der Innenumfangsbereich, in dem die Leitungsabzweigung 2 von dem Leitungselement 1 abgeht, mit den topologischen Strukturen 5 versehen ist. Durch diese topologischen Strukturen, die anhand eines numerischen Optimierungsprogramms in ihrer Form vorgegeben sind, weist das Leitungsbauteil 10 verbesserte Dauergebrauchseigenschaften auf.
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7 zeigt einen Verfahrensschritt zur Herstellung eines Leitungsbauteils 10, das eine bessere Oberflächengüte und somit eine bessere Dauergebrauchseigenschaft aufweist. Hierbei wird in dem additiv erzeugten Leitungsbauteil 10, das ein Leitungselement 1 und eine sich davon abzweigende Leitungsabzweigung 2 aufweist, mit einem partikelgefüllten Gasstrom beschickt. Das Leitungselement 1 dient zum Leiten eines Fluids und weist eine erste Öffnung sowie eine zweite Öffnung auf. Von dem die erste und die zweite Öffnung verbindenden Leitungselement zweigt sich eine Leitungsabzweigung 2 ab, die in Verbindung mit einer dritten Öffnung steht. Zum Glätten der Innenoberfläche des additiv gefertigten Leitungsbauteils 10 wird eine der drei Öffnungen verschlossen und an eine der anderen zwei offenen Öffnungen ein partikelgefüllter Gasstrom eingebracht. Das Strömen des partikelgefüllten Gasstroms 6 wird mit Hilfe eines Druckunterschieds zwischen den beiden Öffnungen realisiert. Dann bewegen sich die Partikel 61 in dem Gasstrom 6 von der einen zu der anderen Öffnung und kollidieren dabei mit den Innenwandungen des Leitungsbauteils 10. Bei einer ausreichend hohen Geschwindigkeit führt die Kollision der einzelnen Partikel 61 mit dem Innenbereich des Leitungsbauteils 10 zu einem Glätten des Innenbereichs. Zudem werden eventuell. vorhandene bei der additiven Fertigung notwendige Granulat oder Pulverpartikel, die noch an dem Innenbereich anhaften, abgetragen, wodurch ein weiterer Glättungseffekt erzielt werden kann.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Strömungsrichtung des partikelgefüllten Gasstroms 6 in seiner Strömungsrichtung veränderbar ist. D. h. die Einführrichtung des Gasstroms 6 wird hierbei geändert, sodass die Öffnung in der der partikelgefüllte Gasstrom eingeführt wird, nun die Öffnung ist, in dem der partikelgefüllte Gasstrom ausgeblasen wird. Da sich die Partikel 61 je nach Einführrichtung in das Leitungsbauteil 10 vornehmlich mit anderen Bereichen des Innenbereichs kollidieren erfolgt dadurch eine bessere Glättung des Innenbereichs und eine noch bessere Dauergebrauchseigenschaft des Leitungsbauteils 10.
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8 zeigt eine weitere Alternative zum Einbringen des partikelgefüllten Gasstroms 6 bei dem keine der insgesamt drei Öffnungen des Leitungsbauteils 10 verschlossen ist. Dabei wird der Gasstrom 6 von einer der Öffnungen eingebracht und verlässt das Leitungsbauteil durch die anderen beiden Öffnungen. Vorzugsweise bietet sich hier als Einbringöffnung die Leitungsabzweigung 2 an, sodass die Partikel 61 durch die beiden anderen Öffnungen des Leitungselements 1 aus dem Leitungsbauteil 10 ausgeblasen werden.
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Vorteilhaft ist das Einbringen des partikelgefüllten Gasstroms 6 in das Leitungsbauteil an einem Bereich der geringsten Strömungsgeschwindigkeit. In der Figur wird der Gasstrom 6 also vorzugsweise durch eine der beiden Öffnungen des Leitungselements 1 eingebracht, da die Querschnittsfläche des Leitungselements 1 in diesem Bereich größer als die im Bereich der Öffnung der Leitungsabzweigung 2 ist.
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Ein weiterer Verfahrensschritt, der zur Verbesserung der Dauergebrauchseigenschaft des Leitungsbauteils dient, ist das Einbringen von Druckeigenspannungen in das additiv gefertigte Leitungsbauteil 10.
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Die 9 zeigt ein mit zwei Öffnungen versehendes Leitungselement 1 zum Leiten eines Fluids sowie eine Leitungsabzweigung 2, die sich von dem Leitungselement 1 abzweigt. Nach der additiven Fertigung des Leitungsbauteils 10 werden zwei der insgesamt drei Öffnungen verschlossen und von der unverschlossenen Öffnung ein Medium mit einem bestimmten Druck in das Leitungsbauteil 10 eingebracht. Dabei ist der Druck des in das Leitungsbauteil 10 eingebrachten Mediums so groß, dass er in einem Innenbereich oberhalb der Fließgrenze des Werkstoffs des Leitungsbauteils 10 liegt. Auf diese Weise lassen sich bei generativ erzeugten fluidführenden Leitungsbauteilen Druckeigenspannungen erzeugen, welche die Dauergebrauchseigenschaften positiv beeinflussen.
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9 zeigt zudem einen vergrößerten Ausschnitt eines Bereichs, der über das Medium mit einem Druck beaufschlagt worden ist, der oberhalb der Fließgrenze des Werkstoffs des Leitungsbauteils 10 liegt. Die gestrichelte Linie 50 deutet dabei den ursprünglichen Verlauf des Innenbereichs des Leitungsbauteils 10 an. Mit 51 ist der Innenbereich nach Anwenden des oben beschriebenen Verfahrensschritts dargestellt. Vorzugsweise erfolgt die Druckbeaufschlagung des fluidführenden Leitungsbauteils 10 mit Hilfe eines Mediums derart, dass die Materialbeanspruchung an der druckzugewandten Oberfläche des Bauteils über der Fließgrenze des Werkstoffs liegt. Weiter vorzugsweise ist der Druckbereich so zu wählen, dass die der Druckseite abgewandte Oberfläche der Komponente weitestgehend linear-elastisch verformt wird. Dadurch lassen sich besonders effektiv Druckeigenspannungen in additiv gefertigte Leitungsbauteile erzeugen.
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Sämtliche anhand der Figuren beschriebene Ausführungsformen können mit ihren jeweiligen Merkmalen oder einer Auswahl ihrer jeweiligen Merkmale untereinander kombiniert werden.
