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Die vorliegende Erfindung betrifft ein 3D-Druckverfahren zur Herstellung eines Metallbauteils mit integrierten Glasfasern sowie ein Metallbauteil mit integrierten Glasfasern, welches mit einem solchen Verfahren hergestellt ist. Insbesondere befasst sich die vorliegende Erfindung mit Metallbauteilen mit integrierten Glasfasern zur Nutzung im Luft- und Raumfahrtbereich.
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Auch wenn Metallbauteile mit integrierten Glasfasern gemäß der vorliegenden Erfindung in vielfältigen Anwendungen genutzt werden können, werden diese sowie die zugrunde liegende Problematik in Bezug auf Luftfahrzeuge näher erläutert.
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Im Bereich des modernen Flugzeugbaus kommen häufig Metallbauteile in Verbundbauweise als strukturelle Komponenten zum Einsatz. So wird die Beplankung der Rumpfzellen von Luftfahrzeugen mitunter aus glasfaserverstärktem Aluminium („Glass Laminate Aluminium Reinforced Epoxy”, GLARE®) gebildet, d. h. einem Laminatverbund mit abwechselnden Schichten aus Aluminium und einem Glasfaserlaminat (glasfaserverstärkter Kunststoff). Hierbei werden dünne Bleche aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung übereinander geschichtet und jeweils mittels einer Klebeschicht miteinander verbunden, welche mindestens eine harzimprägnierte, unidirektionale Glasfasereinlage aufweist. Abschließend wird der Verbundaufbau unter der Anwendung von Druck und Temperatur zu einem Blechlaminat ausgehärtet. Als Vorteile von GLARE® gegenüber monolithischen Metallbauteilen werden mitunter eine verbesserte Schadenstoleranz, eine verbesserte Unterdrückung der Ausbreitung von Rissen, eine gute Korrosionsbeständigkeit und ein geringes Gewicht angegeben.
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Neben der Anwendung solcher Metall-Laminatverbunde ist es weiterhin bekannt Glasfasern in eine Metallmatrix einzubetten. So beschreiben beispielsweise die Druckschriften
US 7,774,912 B2 und
US 2005/0133123 A1 Verfahren zur Herstellung von Glasfaser-Metallmatrix-Verbunden, die im Luft- und Raumfahrtsektor zur Anwendung kommen können. Hierbei werden Glasfaserbündel durch ein Bad aus flüssigem Metall gezogen, welches in einen Schmelzofen integriert ist. Anschließend werden die mit Metall infiltrierten Faserbündel durch ein Formwerkzeug in eine gewünschte Anordnung gebracht, bevor sie abschließend abgekühlt, d. h. ausgehärtet, werden. Prinzipiell ähneln diese Verfahren somit Strangziehverfahren zur Herstellung von faserverstärktem Kunststoff und haben letztendlich mit diesen gemein, dass die Anordnung der Fasern nur innerhalb gewisser Beschränkungen möglich ist.
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Unabhängig von der Anwendung von Glasfasern zur Verbesserung der Eigenschaften von Metallbauteilen werden diese grundsätzlich auch in vielfältigen anderen technischen Bereichen genutzt. So werden Glasfasern beispielsweise in der Nachrichtentechnik in Form von Glasfaserkabeln („optical fibers”) als Lichtwellenleiter zur Übertragung von Informationen oder als Bestandteil faseroptischer Sensoren genutzt. Generell werden Datenkabel (Glasfaserkabel, Kupferkabel etc.) in Luftfahrzeugen mittels entsprechender Haltervorrichtungen in vordefinierten Positionen an den strukturellen Bauteilen des Luftfahrzeugs befestigt. Beispielsweise werden spezielle Halter verwendet, die die aufzunehmenden Datenkabel umklammern und relativ zu dem Luftfahrzeug fixieren. Solche Kabel und Halter müssen gegebenenfalls darüber hinaus abgedichtet und/oder isoliert werden. Grundsätzlich ist die technische Infrastruktur des Datennetzwerks in einem Flugzeug relativ komplex.
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Bei generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren, auch allgemein als „3D-Druckverfahren” bezeichnet, werden ausgehend von einem digitalisierten geometrischen Modell eines Objekts ein oder mehrere Ausgangsmaterialien sequentiell in Lagen übereinandergeschichtet und ausgehärtet. So wird beispielsweise beim Fused-Deposition-Modeling (FDM) ein Bauteil schichtweise aus einem Modelliermaterial, z. B. Kunststoff oder Metall, aufgebaut, indem das Modelliermaterial durch Erwärmung verflüssigt wird und durch eine Düse extrudiert wird. 3D-Drucken bietet außergewöhnliche Designfreiheit und erlaubt es Objekte mit überschaubaren Aufwand herzustellen, welche mit herkömmlichen Methoden nicht oder zumindest nur unter erheblichem Aufwand herstellbar wären. Aus diesem Grund sind 3D-Druckverfahren derzeit weit verbreitet im Industriedesign, in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrtindustrie oder generell in der industriellen Produktentwicklung, in der eine ressourceneffiziente Prozesskette zur bedarfsgerechten Klein- und Großserienfertigung individualisierter Bauteile eingesetzt wird.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Lösungen für multifunktionale Metallbauteile mit Glasfasern zu finden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein 3D-Druckverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Metallbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 und durch ein Luft- oder Raumfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16.
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Demgemäß ist ein 3D-Druckverfahren zur Herstellung von Metallbauteilen mit integrierten Glasfasern vorgesehen. Das 3D-Druckverfahren umfasst Erhitzen und Verflüssigen eines Metall-Modelliermaterials, schichtweises Ablegen des Metall-Modelliermaterials in Materiallagen und schichtweises Aushärten des Metall-Modelliermaterials in den Materiallagen. Ferner umfasst das 3D-Druckverfahren Erhitzen und Verflüssigen eines Glas-Modelliermaterials, schichtweises Ablegen des Glas-Modelliermaterials in den Materiallagen und schichtweises Aushärten des Glas-Modelliermaterials in den Materiallagen. Das Metallbauteil wird integral aus den abgelegten Materiallagen gebildet. Das Metall-Modelliermaterial und das Glas-Modelliermaterial werden derart in den Materiallagen abgelegt, dass das ausgehärtete Glas-Modelliermaterial zumindest eine Glasfaser durch das Metallbauteil bildet.
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Darüber hinaus ist ein Metallbauteil mit integrierten Glasfasern vorgesehen, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Darüber hinaus ist ein Luft- oder Raumfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Metallbauteil mit integrierten Glasfasern vorgesehen.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dreidimensionale Metallbauteile mit integrierten Glasfasern mittels eines 3D-Druckverfahrens in einem einzelnen integrierten Herstellungsprozess zu erzeugen. Dreidimensional bedeutet in diesem Zusammenhang, dass prinzipiell beliebig geformte, massive Metallbauteile einteilig herstellbar sind, durch welche Glasfasern grundsätzlich in alle dreidimensionalen Raumrichtungen führen können und insbesondere auch gekrümmten Kurven bzw. Bahnen folgen können. Herkömmlicherweise werden Metall-Glas-Verbundbauteile aus abwechselnden Schichten aus Metall bzw. Glasfaserlagen aufgebaut. Glasfasern können in diesen herkömmlichen Lösungen also grundsätzlich lediglich in der Ebene der Schichten beliebig angeordnet werden. Eine Ausrichtung der Glasfasern senkrecht zu diesen Schichten gestaltet sich hingegen als außerordentlich schwierig oder umständlich (beispielsweise können nachträglich Durchgangsöffnungen durch die Metalllagen gebohrt oder gefräst werden, durch welche Glasfasern gelegt werden können).
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Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht demnach darin, dass sich massive Metallbauteile mit flexibel angeordneten integrierten Glasfasern mit den relativ einfachen Mitteln eines 3D-Druckverfahrens kostensparend und einfach herstellen lassen. Erfindungsgemäße Metallbauteile sind multifunktional in dem Sinne, dass Glasfasern zu unterschiedlichen Zwecken in die Metallbauteile integrierbar sind. Zum einen können Glasfasern ähnlich wie bei Metallbauteilen in Laminat-Verbund-Bauweise zu Verstärkungszwecken oder anderen strukturverbesserten Zwecken vorgesehen sein. Zum anderen können Glasfasern jedoch auch als Glasfaserkabel, Lichtwellenleiter bzw. Lichtleitkabel genutzt bzw. ausgebildet werden, so dass diese für entsprechend vielfältige technische Anwendungen zur Verfügung stehen. Beispielsweise können solche Glasfasern zur Übermittlung von Daten genutzt werden. Diese Art der Datenübertragung kann herkömmliche Kabel oder Leitungen entbehrlich machen, welche bisher umständlich mit speziellen Haltern oder dergleichen an den Strukturen eines Flugzeugs befestigt werden müssen. Die Mittel zur Datenübertragung können demnach gewissermaßen direkt in die tragende bzw. verstärkende Struktur des Flugzeugs integriert werden. So können beispielsweise an fest vorgegebenen Positionen der Strukturbauteile Aus- bzw. Eingangsöffnungen für die Glasfaserleitungen vorgesehen sein, an denen mittels Steckverbindern oder anderen Verbindungsmodulen Datenleitungen des Luftfahrzeugs anschließbar sind, z. B. von einem Cockpit oder einem Kabinenmanagementsystem oder ähnlichem. In der Folge sind erhebliche Einsparungen in der Anzahl der installierten Bauteile (Halter, Kabel, Leitungen etc.) möglich, was wiederum Gewicht, Montageaufwand bzw. Montagedauer sowie Kosten einspart. Darüber hinaus sind mit 3D-Druckverfahren auch sehr komplexe Geometrien ohne weitere Umstände herstellbar, so dass Datenverbindungen (Glasfasern) sehr flexibel in den Bauteilen ausgerichtet werden können, beispielsweise entsprechend zu den zu erwartenden Belastungen (Lastpfaden) der Strukturbauteile. In einer weiteren vorteilhaften Anwendung können Glasfasern für Systeme zur Überwachung der Flugzeugstruktur genutzt werden, beispielsweise zur Überwachung von Strukturbauteilen in Verbund- oder Teilverbundbauweise, z. B. um Beschädigungen oder dergleichen festzustellen. Ein Vorteil der vorliegenden Lösung ergibt sich insbesondere daraus, dass die verwendeten Materialien isotrope Eigenschaften besitzen. Effektiv besitzt ein erfindungsgemäßes Metallbauteil näherungsweise die Eigenschaften eines Bauteils mit „echter” dreidimensionaler Einarbeitung der Glasfasern. Dementsprechend flexibel lassen sich die Eigenschaften eines Metallbauteils vermittels der Glasfasern kontrollieren.
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3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfassen alle generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren, bei welchen auf der Basis von geometrischen Modellen Objekte vordefinierter Form aus formlosen Materialien wie Flüssigkeiten und Pulvern oder formneutralen Halbzeugen wie etwa band- oder drahtförmigem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse in einem speziellen generativen Fertigungssystem hergestellt werden. 3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung verwenden dabei additive Prozesse, bei denen das Ausgangsmaterial schichtweise in vorgegebenen Formen sequentiell aufgebaut wird. 3D-Druckverfahren umfassen dabei insbesondere Schmelzschichtung (z. B. „fused deposition modelling”, FDM), selektives Lasersintern („selective laser sintering”, SLS) und selektives Laserschmelzen („selective laser melting”, SLM).
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das schichtweise Ablegen des Glas-Modelliermaterials das Extrudieren von flüssigem Glas-Modelliermaterial umfassen. Extrusionsprozesse ermöglichen eine besonders glatte und gleichmäßige Texturierung der abgelegten Glasschichten. Dies ist insbesondere für die Nutzung der Glasfasern als Lichtwellenleiter vorteilhaft.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das 3D-Druckverfahren ein Schmelzschichtungsverfahren umfassen. Schmelzschichtung (z. B. „fused deposition modelling”, FDM) im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst Verfahren, bei denen ein dreidimensionales Objekt auf Basis einer digitalen Darstellung des dreidimensionalen Objekts durch Extrudieren eines erhitzten fließfähigen Materials und schichtweises Ablegen des Materials auf zuvor abgelegtem Material gebildet wird. Hierbei verbindet sich das abgeschiedene Material bei Abkühlung mit dem zuvor aufgebrachten Material und härtet aus, so dass sich ein integrales Objekt bildet.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das schichtweise Ablegen des Metall-Modelliermaterials das Extrudieren von flüssigem Metall-Modelliermaterials umfassen. Beispielsweise werden sowohl ein Metall als auch ein Glas über ihre jeweilige Schmelztemperatur erhitzt und extrudiert. Die Extrusion kann hierbei für jede Schicht mit einem einzelnen, flexiblen Extruder durchgeführt werden oder alternativ beispielsweise hintereinander für jede Schicht abwechselnd mit zwei getrennten Extrudern.
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Gemäß einer alternativen Weiterbildung kann das Erhitzen und Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials das Schmelzen oder Sintern des Metall-Modelliermaterials mit einem Laser umfassen. Alternativ kann das Metall-Modelliermaterial demnach mit einem Laser geschmolzen werden, z. B. kann das Modelliermaterial in Form eins Pulvers oder als Band bzw. Draht aufgelegt werden und dann mit dem Laser geschmolzen werden. In dieser Weiterbildung kann das 3D-Druckverfahren ein Lasersinter-Verfahren oder ein Laserschmelz-Verfahren oder ein ähnliches Verfahren umfassen. Bei dem so genannten selektiven Lasersintern („selective laser sintering”, SLS) und dem selektiven Laserschmelzen („selective laser melting”, SLM) werden pulverförmige Werkstoffe in dünnen Schichten nach und nach auf eine Grundplatte aufgetragen, anschließend mit einem Laserstrahl geschmolzen bzw. gesintert und dann ausgehärtet.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Erhitzen und Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials bei einer mittleren Metall-Schmelztemperatur des Metall-Modelliermaterials ausgeführt werden. Ferner kann das Erhitzen und Verflüssigen des Glas-Modelliermaterials bei einer mittleren Glas-Schmelztemperatur des Glas-Modelliermaterials ausgeführt werden. Das schichtweise Ablegen und das schichtweise Aushärten kann jeweils für jede Materialschicht zuerst mit dem Modelliermaterial mit der höheren Schmelztemperatur ausgeführt werden. Diese Weiterbildung spricht die unterschiedlichen Schmelztemperaturen von Glas- bzw. Metall-Modelliermaterialien an. Vorteilhafterweise kann demnach das Material mit der höheren Schmelztemperatur zuerst für jede Schicht aufgetragen und ausgehärtet werden. Danach wird bei niedrigeren Temperaturen das entsprechend andere Material aufgetragen. Dem Fachmann wird sich hieraus erschließen, dass je nach Anwendungsfall und Anforderungen bestimmte Kombinationen von Glas- und Metall-Modelliermaterialien vorteilhaft sein können. Demnach wird dem Fachmann auch klar sein, wie das Verfahren je nachdem abzuwandeln ist, ob also das Glas-Modelliermaterial zuerst aufzutragen ist oder umgekehrt bzw. ob weitere Vorkehrungen zu treffen sind, um beispielsweise ein unerwünschtes erneute Aufschmelzen von bereits abgelegtem Material zu verhindern oder einzuschränken oder dergleichen.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Metall-Modelliermaterial aus der Gruppe metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen oder dergleichen ausgewählt sein.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Metall-Modelliermaterial aus der Gruppe von Aluminium, Titan und einer Legierung davon oder dergleichen ausgewählt sein.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Glas-Modelliermaterial aus der Gruppe von Quarzglas, dotiertem Quarzglas, Fluoridglas, Chalkogenidglas und Materialkombinationen von diesen und einem polymeren optischen Material, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat oder Polystyren oder einer Materialkombination von diesen, oder dergleichen ausgewählt sein. Prinzipiell kommen in der vorliegenden Erfindung alle glasartigen Materialien in Betracht, welche sich in einem 3D-Druckverfahren zu Glasfasern bzw. polymeren optischen Fasern schichten lassen.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das ausgehärtete Glas-Modelliermaterial eine Vielzahl von Glasfasern durch das Metallbauteil bilden.
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Gemäß einer Weiterbildung kann zumindest eine Glasfaser als Lichtwellenleiter ausgebildet sein. Unter Lichtwellenleiter im Sinne der Erfindung sind hier allgemeine Glasfaserkabel bzw. Lichtleitkabel zu verstehen, die sich zur Daten- und/oder Energieübertragung eignen. Die erfindungsgemäße Lösung mit der Verwendung von 3D-Druckverfahren ermöglicht insbesondere auch das Ausbilden von Glasfasern, die aus unterschiedlich ausgebildeten, konzentrischen Schichten im Sinne von herkömmlichen Glasfaserkabeln aufgebaut sind. Beispielsweise kann ein lichtführender Kern vorgesehen sein, der umgeben ist von einem Mantel mit einem niedrigeren Brechungsindex. Alternativ oder zusätzlich kann das 3D-Druckverfahren auch die Ausbildung von Schutzschichten oder dergleichen vorsehen, welche um das eigentliche Glasfaserkabel herum ausgebildet sind, z. B. aus Glas und/oder Kunststoff. Prinzipiell kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Extrusion (oder entsprechende 3D-Druckverfahren) von mehr als zwei Modelliermaterialien vorsehen. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit polymere optische Fasern in Metallbauteilen zu integrieren (zusätzlich oder alternativ zu „echten” Glasfasern).
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Gemäß einer Weiterbildung kann das ausgehärtete Glas-Modelliermaterial zumindest eine Glasfaser durch das Metallbauteil bilden, die vollständig durch das Metallbauteil hindurch läuft. Mit der vorliegenden Erfindung können demnach Glasfasern insbesondere auch vollständig durch ein Metallbauteil hindurchgehend geformt werden. Alternativ können die Glasfasern jedoch auch teilweise oder vollständig (einschließlich von Endstücken) in ein Metallbauteil eingeschlossen sein. So sind strategische Strukturverstärkungen mit Glasfasern möglich, bei denen die Glasfasern nicht aus dem Bauteil herausschauen.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Metallbauteil als Strukturbauteil zur Verstärkung des Rumpfes eines Luft- oder Raumfahrzeugs ausgebildet sein. Das Metallbauteil kann demnach beispielsweise als Stringer, Spant, Stringer- bzw. Spantsegment oder Stringer- bzw. Spantkupplung oder dergleichen ausgebildet sein. Prinzipiell ist es gemäß der Erfindung auch möglich, das Metallbauteil als Hautfeld oder Abschnitt eines Hautfelds auszubilden. Neben der Möglichkeit durchgängiger Datenleitungen, kann dies auch zum Strukturmonitoring dienen oder beispielsweise das Einschlagsverhalten des Luftfahrzeugs verbessern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein Computerlesbares Medium vorgesehen sein, auf welchem computerausführbare Anweisungen gespeichert sind, die bei Ausführung mittels einer datenverarbeitenden Vorrichtung die datenverarbeitende Vorrichtung dazu veranlassen, ein 3D-Druckverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 eine schematische Perspektivansicht eines Metallbauteils mit integrierten Glasfasern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Seitenansicht eines Luftfahrzeugs, in welches das Metallbauteil aus 1 integriert ist; und
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3a, 3b zwei schematische Ablaufdiagramme von 3D-Druckverfahren für die Herstellung des Metallbauteils aus 1 gemäß weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Metallbauteils mit integrierten Glasfasern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 das Metallbauteil. Das Metallbauteil 1 ist ein einstückiges, d. h. integrales, Bauteil aus einem Metall-Modelliermaterial 2a, welches von einer Vielzahl von Glasfasern 3, 3' aus einem Glas-Modelliermaterial 2b durchsetzt ist. Bei dem Metallbauteil 1 kann es sich beispielsweise um ein Strukturbauteil eines Luft- oder Raumfahrzeugs 10 handeln, z. B. einen Stringer oder einen Spant. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Luftfahrzeugs 10, in welches das Metallbauteil 1 aus 1 als Stringer integriert ist. Prinzipiell ist die vorliegende Erfindung jedoch auf beliebige andere Metallbauteile anwendbar, die zu unterschiedlichen Zwecken in einem Luftfahrzeug 10 verbaut sein können. Prinzipiell kann ein Metallbauteil 1 gemäß der vorliegenden Erfindung auch eine Metallkomponente eines Verbundbauteils oder dergleichen sein. In diesem Sinne ist das Metallbauteil 1 in 1 rein schematisch zu sehen. Beispielsweise kann es als Stringer oder Spant mit einem beliebig geformten Querschnitt ausgebildet sein, d. h. beispielsweise in Z-, L- oder Ω-Form vorliegen.
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In 1 wird beispielhaft zwischen zwei grundlegenden Typen von Glasfasern 3, 3' unterschieden. Ein Teil der Glasfasern 3 ist zwecks Strukturverbesserung der Metallbauteils 1 in dieses eingelassen, beispielsweise um die Schadenstoleranz des Metallbauteils 1 unter Einschlägen oder dergleichen zu verbessern oder um dessen Durchbrandverhalten zu verbessern. Diese Glasfasern 3 sind parallel zueinander in Längsrichtung des Metallbauteils 1 angeordnet. Diese Anordnung dient lediglich der schematischen Illustration. Prinzipiell können insbesondere nicht-parallele Glasfasern 3 im Sinne der Strukturoptimierung vorteilhaft sein. Die vorliegende Erfindung hebt die Einschränkungen von herkömmlichen Faserverbundwerkstoffen völlig auf, so dass die Glasfasern 3 ohne weiteres in beliebigen Raumrichtungen in gerader oder gekrümmter Form angeordnet sein können. Manche Glasfasern 3' sind hingegen als Lichtwellenleiter ausgebildet und treten in verschiedenen Raumrichtungen aus dem Metallbauteil 1 aus. Beispielsweise können diese Glasfasern 3' Glasfaserkabel in Längsrichtung des Metallbauteils 1 (unten in 1, z. B. im Falle dass das Metallbauteil 1 ein Stringer oder dergleichen ist) umfassen, welche in vordefinierten Abständen Verteilerabzweigungen aufweisen, die seitlich aus dem Metallbauteil 1 hinausführen (oben bzw. rechts in 1). An den entsprechenden Kontaktstellen können beispielsweise Verbindungsstecker oder Verbindungsmodule an die Glasfasern 3' gekoppelt werden, um ein Datennetzwerk des Luftfahrzeugs oder dergleichen an das Glasfaserkabel 3' anzubinden. In dieser beispielhaften Ausführungsform kann das Metallbauteil 1 nicht nur als längsversteifender Stringer dienen, sondern gleichzeitig als Datenverbindung. Diese Datenverbindung ist demnach vorteilhafterweise unmittelbar in die Struktur des Luftfahrzeugs 10 integriert.
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3a und 3b zeigen zwei schematische Ablaufdiagramme von 3D-Druckverfahren für die Herstellung des Metallbauteils aus 1 gemäß weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Das 3D-Druckverfahren M in 3a umfasst unter M1a Erhitzen und Verflüssigen eines Metall-Modelliermaterials 2a, unter M2a schichtweises Ablegen des Metall-Modelliermaterials 2a in Materiallagen und unter M3a schichtweises Aushärten des Metall-Modelliermaterials 2a in den Materiallagen. Ferner umfasst das 3D-Druckverfahren M unter M1b Erhitzen und Verflüssigen eines Glas-Modelliermaterials 2b, unter M2b schichtweises Ablegen des Glas-Modelliermaterials 2b in den Materiallagen und unter M3b schichtweises Aushärten des Glas-Modelliermaterials 2b in den Materiallagen. Das Metallbauteil 1 wird integral aus den abgelegten Materiallagen gebildet. Das Metall-Modelliermaterial 2a und das Glas-Modelliermaterial 2b werden derart in den Materiallagen abgelegt, dass das ausgehärtete Glas-Modelliermaterial 2b zumindest eine Glasfaser 3, 3' durch das Metallbauteil 1 hindurch bildet. In diesem Fall kann das 3D-Druckverfahren beispielsweise als Schmelzschichtungsverfahren ausgestaltet sein, wobei der Schritt des schichtweisen Ablegens jeweils das Extrudieren des jeweiligen Materials umfasst, nachdem dieses erhitzt und verflüssigt wurde. In diesem Fall ist die Schmelztemperatur Ta des Metall-Modelliermaterials 2a größer als die Schmelztemperatur Tb das Glas-Modelliermaterials 2b, so dass das Metall-Modelliermaterial 2a zuerst abgelegt und ausgehärtet wird. Beispielsweise kann das schichtweise Ablegen des Metall-Modelliermaterials 2a beinahe flächendeckend erfolgen und lediglich einzelne, kleine verbleibende Aussparungen vorsehen, in welche anschließend das Glas-Modelliermaterial eingebracht oder eingegossen wird. Durch sequentielle Aneinanderreihung solcher Schichtlagen lassen sich beliebig komplexe, massive Metallbauteile 1 herstellen, welche von Glasfasern durchsetzt sind.
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Das 3D-Druckverfahren M in 3b umfasst grundsätzlich die gleichen Schritte wie das Verfahren M in 3a. Im Unterschied zu letzterem wird das Metall-Modelliermaterial 2a in diesem Fall allerdings nicht extrudiert, sondern zuerst unter M2a abgelegt (beispielsweise in Form eines Pulvers oder Drähten) und anschließend mit einem Laser unter M1a erhitzt und verflüssigt, bevor es abschließend unter M3a aushärtet. Das Glas-Modelliermaterial 2b wird hingegen entsprechend zu 3a extrudiert, d. h. unter M1b erst erhitzt und verflüssigt, dann unter M2b aufgelegt (bzw. eingegossen) und unter M3b ausgehärtet.
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Die beschriebenen Verfahren können in allen Bereichen der Transportindustrie, beispielsweise für Straßenkraftfahrzeuge, für Schienenfahrzeuge oder für Wasserfahrzeuge, aber auch generell im Ingenieurs- und Maschinenbauwesen oder anderen Gebieten, wie beispielsweise in der Architektur, im Hoch- und Tiefbau, etc. eingesetzt werden.
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In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
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Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend” und „aufweisend” als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend” verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein”, „einer” und „eine” eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Metallbauteil
- 2a
- Metall-Modelliermaterial
- 2b
- Glas-Modelliermaterial
- 3, 3'
- Glasfaser
- 10
- Luftfahrzeug
- Ta
- Metall-Schmelztemperatur
- Tb
- Glas-Schmelztemperatur
- M
- Verfahren
- M1a, M1b
- Verfahrensschritt
- M2a, M2b
- Verfahrensschritt
- M3a, M3b
- Verfahrensschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7774912 B2 [0004]
- US 2005/0133123 A1 [0004]
