DE102016204357A1

DE102016204357A1 - Verfahren zur Herstellung einer Konsole eines Steuermotors

Info

Publication number: DE102016204357A1
Application number: DE102016204357.9A
Authority: DE
Inventors: Johannes Rauch; Hans-Georg Schubert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-09-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Konsole (4) eines Steuermotors (1), die zumindest eine Bodenplatte (5), ein Joch (6) und zwei nach innen zeigende Pole (7, 8) umfasst, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: a) schichtweises Aufbauen der Bodenplatte (5) auf einem Untergrund (21), b) schichtweises Aufbauen des Jochs (6), c) schichtweises Aufbauen der Pole (7, 8), wobei die Bodenplatte (5) mit dem Joch (6) und das Joch (6) mit den Polen (7, 8) verbunden wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Konsole eines Steuermotors für eine Ventilanordnung, insbesondere einer Hydraulikventil-Anordnung, und umfasst eine Konsole eines Steuermotors.
Elektrisch betätigte 2-stufige Servo-Wegeventile bestehen aus einem elektromechanischen Wandler (Torquemotor), einem hydraulischen Verstärker (Prinzip Düsen-Prallplatte) und einem Steuerkolben in einer Hülse, der über eine mechanische Rückführung mit dem Torquemotor verbunden ist.
Die Ansteuerung des Ventils erfolgt über den Torquemotor (Steuermotor). Der Torquemotor dient dazu, eine Biegefeder mit einer bestimmten Kraft auszulenken. Durch eine hydromechanische Rückkopplung stellt sich dann eine bestimmte Position des Steuerkolbens des Servo-Wegeventils ein.
Der Torquemotor umfasst eine Konsole als Bauteil mit einer Bodenplatte und einem darüber im Wesentlichen bogenförmig angeordneten Joch, an dem zwei Pole vorgesehen sind. Die Konsole ist ein komplexes Bauteil. Zwischen den Polen wird ein Anker eingefügt, der eine Biegefeder betätigt. Die genannten Teile der Konsole umschließen den Anker in zumindest einer Ebene. Auf die Pole sind elektrische Spulen aufgesteckt, die das Magnetfeld beeinflussen. Ein symmetrisches Dauermagnetfeld zum Aufbau einer Grundmagnetisierung wird durch einen oberhalb des Ankers am Joch befestigten Dauermagneten erzeugt. Durch Ansteuern der elektrischen Spulen wird die Symmetrie des Magnetfelds aufgehoben und der Anker zur Bewegung in die gewünschte Richtung veranlasst.
Es ist bekannt, Konsolen mehrteilig aus Vollmaterial zu fertigen und zu verschrauben, als Schweißbiegeteil herzustellen, nur aus Vollmaterial zu fertigen und als Biegeteil aus Vollmaterial zu fertigen und zu verschrauben. Nachteilig hierbei sind hohe Herstellungskosten und eine Vielzahl von Arbeitsschritten, insbesondere bei der Herstellung aus mehreren Einzelteilen. Bei der Fertigung aus dem Vollmaterial stören eine aufwendige spanende Bearbeitung (ca. 80 % Materialverlust als Späne), sowie weitere Schwierigkeiten bei der spanenden Bearbeitung (starke Gratbildung). Außerdem ist eine Passung für Einpressung erforderlich, wobei bei nicht optimaler Passung ein Risiko von Luftspalten und mangelhaftem Magnetfluss besteht, so dass eine aufwendige Überwachung bei der Herstellung der Prozessverbindung notwendig ist. Die Passungen werden bspw. mittels Bohren und/oder Schleifen hergestellt. Nachteilig bei der Herstellung aus Vollmaterial sind somit der hohe Materialaufwand, das hohe Gewicht, der hohe Nachbearbeitungsaufwand und die mangelnde Gestaltungsfreiheit bei der äußeren Formgebung. Bei der Fertigung als Schweißbiegeteil sind die erforderlichen Toleranzen bei dem Biegeteil schwierig einzuhalten. Außerdem ist eine geringere mechanische Steifigkeit vorhanden. Weiterhin besteht das Risiko, dass Schweißverbindungen nicht durchgeschweißt sind, was zu einem mangelhaftem Magnetfluss führen kann. Sofern die Bauteile verschraubt sind, kann ein Verrutschen der Teile untereinander bei hohen Temperaturschwankungen und unter Vibrations- und Stoßbelastung auftreten, was einen Nullpunktfehler nach sich zieht.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung einer Konsole angegeben werden, das eine kostengünstige und materialschonende Herstellung ermöglicht. Das Verfahren soll insbesondere die Herstellung einer kompakten Konsole mit einer hohen Gestaltungsfreiheit ermöglichen. Insbesondere soll die Konsole so herstellbar sein, dass ein Montageaufwand stark reduziert wird. Darüber hinaus soll das Verfahren die Herstellung einer insbesondere gegenüber Vibrations- und Stoßbelastungen sehr robusten Konsole ermöglichen. Schließlich soll das Verfahren die Fertigung einer Konsole mit einem optimalen Magnetfluss erlauben.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie mit einer Konsole gemäß Patentanspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patenansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung aufzeigt. Die in der Beschreibung angeführten Merkmale charakterisieren die Erfindung weiter, wobei diese in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Verfahren zur Herstellung einer Konsole eines Steuermotors, die zumindest eine Bodenplatte, ein Joch und zwei nach innen zeigende Pole umfasst, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist:

a) schichtweises Aufbauen der Bodenplatte auf einem Untergrund,
b) schichtweises Aufbauen des Jochs,
c) schichtweises Aufbauen der Pole,

Der vorgeschlagenen Lösung liegt insbesondere die Idee zugrunde, die Herstellung der genannten Teile der Konsole (Bodenplatte, Joch, nach innen zeigende Pole) mit einem additiven Verfahren und als einstückiges Bauteil zu verwirklichen.
Das Verfahren besteht insbesondere aus einem schichtweisen Aufbauen der Teile der Konsole.
Bevorzugt werden die Bodenplatte, das Joch und die Pole zu einem einstückigen Bauteil verbunden. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass ein Verfahren bereitgestellt wird, mit dem eine Konsole einteilig hergestellt werden kann, bei der (alle) die gewünschten Haltefunktionen für die weiteren Bauteile (insbesondere die Spulen), sowie eine sehr gute Magnetflussleitung integriert sind. Der vorgeschlagenen Lösung liegt insbesondere die Idee zugrunde, eine Konsole für eine Ansteuerelektronik zur Betätigung des Ventils in aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten jeweils per Additive Manufacturing herzustellen.
Die oben angedeutete Reihenfolge der Verfahrensschritte a), b) und c) ergibt sich bei einem Ablauf, wobei die Bauteile „von unten nach oben“ orientiert sind. Umfasst sind mögliche Reihenfolgen der Verfahrensschritte a), b) und c), bei denen die Bauteile „von oben nach unten“, senkrecht, waagerecht oder schräg zueinander orientiert sind. Einzelne Verfahrensschritte können zeitgleich, nacheinander und/oder parallel durchgeführt werden. Bevorzugt wird Schritt a) mehrfach hintereinander bzw. wiederholt ausgeführt, insbesondere bevor Schritt b) und Schritt c), auch erstmalig ausgeführt werden. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass in Schritt a) zunächst mindestens eine, bevorzugt mehrere, Schicht(en) der Bodenplatte aufgebaut wird bzw. werden, bevor die Schritte b) und c) ausgeführt werden. Besonders bevorzugt wird Schritt a) so lange wiederholt ausgeführt, bis die Bodenplatte (fertig) aufgebaut ist, insbesondere bevor die Schritte b) und c) (erstmalig) ausgeführt werden.
Insbesondere wird die Bodenplatte mit dem Joch stoffschlüssig verbunden. Besonders bevorzugt werden die Pole dadurch stoffschlüssig mit dem Joch verbunden, dass zumindest ein Teilbereich bzw. ein Abschnitt der Pole direkt bzw. unmittelbar auf einem Bereich des Jochs generativ aufgebaut (aufgedruckt) wird. Grundsätzlich ist die äußere Form der Bestandteile frei und an die gewünschte Einbauweise gezielt anpassbar. So kann die Konsole, also insbesondere die Bodenplatte und/oder das Joch, im Querschnitt beispielsweise zumindest teilweise rund und/oder eckig ausgeführt sein.
Der Untergrund kann bspw. ein Behälterboden eines Behälters sein, in dem die Bodenplatte schichtweise bzw. generativ gefertigt wird. Wenn eine Bodenplattenschicht aufgebaut wurde, kann der Untergrund auch die Oberfläche einer in einem vorangehenden Bearbeitungsschritt aufgebauten Bodenplattenschicht sein. Weiterhin kann der Untergrund jede bereits aufgebaute Schicht sein, z. B. die Oberfläche einer in einem vorangegangenen Bearbeitungsschritt aufgebauten Schicht des Jochs und ein Teil des Ventilgehäuses.
Bei der (regelmäßig metallischen) Konsole handelt es sich insbesondere um ein Bauteil eines Steuermotors für eine Ventilanordnung einer hydraulischen Anlage.
Der hier vorgeschlagenen Lösung liegt insbesondere die Idee zugrunde, generative Fertigungsverfahren (z. B. 3D-Druck, EBM (electron beam melting), SLM (selektives Laserschmelzen), SLS (selektives Lasersintern), LAM (Laser additive manufacturing)) oder dergleichen zu nutzen, um eine Konsole mit einer hohen Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der inneren Geometrie in der Konsole herstellen zu können. Insbesondere um den Montageaufwand der Konsole stark zu reduzieren, sollen die vorzugsweise für den Betrieb bzw. die Ansteuerung der Ventilanordnung benötigten Komponenten zumindest teilweise additiv (schichtweise) aufgebaut werden.
Die hier vorgeschlagene Lösung bietet insbesondere den Vorteil, dass die Konsole mit generativen Fertigungsverfahren hergestellt werden kann.
An die (generative) Fertigung der Konsole können sich noch mechanische Nachbearbeitungsschritte und/oder (händische oder automatisierte) Montagevorgänge anschließen, bspw. eine Nachbearbeitung der Bohrungen für die Passung und/oder eine Montage der Spulen und/oder eine Montage von mindestens einem Permanentmagneten. Die hier vorgeschlagene Lösung ermöglicht insbesondere die schnelle Fertigung solcher Bauteile. Zudem kann die hier vorgeschlagene Lösung zur effizienten Fertigung bzw. zur Produktion von Konzepten mit hoher Varianz dienen, wie dies bspw. bei speziellen Industrieventilen und/oder kundenspezifischen Lösungen erforderlich sein kann.
Vorzugsweise entsteht mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren eine Konsole, bei der zumindest die Bodenplatte bevorzugt flächig und mit hoher mechanischer Stabilität, auf einer Oberfläche des Ventilgehäuses angebracht ist. Dadurch kann das Verfahren die Herstellung einer, insbesondere gegenüber Vibrationsbelastungen, sehr robusten Ventilanordnung und/oder platzsparenden Bauform der Ventilanordnung ermöglichen.
Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren findet insbesondere ein sogenanntes „rapid prototyping“ oder auch „generatives“ bzw. „adaptives“ Verfahren zur Herstellung von Festkörpern Anwendung. Hierunter sind insbesondere „solid free form fabrication methods“ verstanden, die Methoden zur Herstellung des Bauteils unmittelbar aus Computerdaten, z. B. CAD-Daten betreffen, wie insbesondere das sogenannte Elektronenstrahlschmelzen (electron beam melting, EBM), die Stereolithographie, das selektive Lasersintern (SLS), das selektive Laserschmelzen (SLM) und dergleichen.
Besonders bevorzugt wird der Schritt a) des Verfahrens als selektives Laserschmelzen (SLM oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ausgeführt, ganz besonders bevorzugt als selektives Laserschmelzen (SLM). Beim SLM Verfahren handelt es sich um ein (rapid prototyping) Verfahren, das ausschließlich für die Fertigung von Metall verwendet wird. Wie beim 3D Druck werden die Bauteile im Schichtbauverfahren aufgebaut (auch „additive manufacturing“ genannt). Die Herstellung der Bauteile erfolgt mit dem Laserstrahlschmelzen. Anders als beim selektiven Lasersintern (SLS) wird beim selektiven Laserschmelzen (SLM) das Materialpulver nicht gesintert. Beim SLM-Verfahren wird das Materialpulver direkt an dem Bearbeitungspunkt durch die Wärmeenergie eines Laserstrahls lokal aufgeschmolzen. Das Pulvermaterial wird bis knapp unter die Schmelztemperatur erhitzt, wobei dies unter Schutzgas erfolgen kann, damit das Material nicht oxidiert.
Zu diesem Zweck wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgeschlagen, dass das schichtweise Aufbauen der Konsole zumindest die folgenden Zwischenschritte umfasst:

1) Bereitstellen einer Schicht losen Materials auf einem Untergrund,
2) Verbinden der Schicht zu einem Festkörper mittels eines hochenergetischen Strahls, der einem vorgegebenen Pfad entlang der Schicht folgt,
3) Wiederholen der Schritte 1) und 2).

Dabei wird zunächst gemäß Schritt 1) eine Schicht losen Materials auf einem Untergrund bereitgestellt, insbesondere aufgetragen, aufgesprüht und/oder abgelegt. Die Schichthöhe kann hierbei bedarfsorientiert eingestellt werden, wobei die Schichthöhe bevorzugt im Bereich kleiner 1 mm, insbesondere kleiner 0,7 mm [Millimeter] beträgt. Als „loses Material“ kommt insbesondere ein Pulver in Betracht, ganz besonders bevorzugt ein metallisches Pulver. Das Pulver kann eine Körnung im Bereich von 25 µm [Mikrometer] bis 250 µm, im Fall des SLM-Verfahrens bevorzugt 30 µm bis 60 µm bzw. ca. 40 µm, insbesondere mit einer entsprechenden Korngrößenverteilung, aufweisen. Ganz besonders bevorzugt, insbesondere im Hinblick auf den bevorzugten Hydraulik-Anwendungsbereich, wird ein metallisches Pulver eingesetzt. Für das metallische Pulver werden bevorzugt magnetische Werkstoffe eingesetzt. Bevorzugt ist, dass zum Aufbau der Konsole überwiegend oder sogar ausschließlich ein weichmagnetischer Werkstoff eingesetzt wird. Ganz besonders bevorzugt sind so genannte Relaiswerkstoffe, die dem Fachmann für diesen Einsatzzweck geläufig sind. Insbesondere können hier Nickelstähle und Nickellegierungen eingesetzt werden, wobei Relaiswerkstoffe mit der Kennung RNi 12, RNi 8 oder RNi 5 (DIN 17 405) besonderes bevorzugt sind. Beispielhaft sei hier insbesondere der Werkstoff Fe50Ni50 angeführt. Auch wenn das lose Material grundsätzlich unter bzw. in einem Fluid bereitgestellt werden kann, wird eine Bereitstellung in einer üblichen Bedingung (Atmosphäre) bevorzugt.
Gemäß Schritt 2) wird zumindest ein Teil des losen Materials bzw. ein vorgegebener Bereich der Schicht mittels eines hochenergetischen Strahls zu einem Festkörper verbunden. Hierzu dient der hochenergetische Strahl insbesondere dazu, das lose Material zumindest teilweise aufzuschmelzen, um mit benachbarten Materialkomponenten eine dauerhafte Verbindung einzugehen. Dies betrifft einerseits das Material der obersten (Deck-)Schicht, sowie ggf. das Material einer darunter liegenden (Sub-)Schicht, sofern die Schritte 1) und 2) bereits schon mindestens einmal ausgeführt wurden. Üblicherweise kommt als hochenergetischer Strahl ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl zum Einsatz. Der hochenergetische Strahl wird hierbei während des Verbindens entlang eines vorgegebenen (von dem Computer gesteuerten bzw. geregelten) Pfads über bzw. auf der (Deck-)Schicht geführt. Der Pfad kann unterbrochen sein, es ist aber auch möglich, dass in verschiedenen Bereichen der Schicht separate Pfade mit dem hochenergetischen Strahl abgefahren werden.
Zum Aufbau der gewünschten Konsole werden die Schritte 1), 2) und 3) entsprechend der Dimension der Konsole wiederholt. Auf diese Weise wird übereinander Schicht um Schicht ergänzt und mit dem hochenergetischen Strahl überarbeitet. Die Schritte 1), 2) und 3) dienen also in gleicher Weise zum Aufbauen jedes Teils der Konsole, d.h. der Bodenplatte, des Jochs und der Pole. Die Schritte 1), 2) und 3) können in jedem der Schritte a), b) und c) des Verfahrens ausgeführt werden.
In Schritt a) erfolgt ein schrittweises Aufbauen der Bodenplatte, vorzugsweise auf einem Untergrund.
In Schritt b) erfolgt ein schichtweises Aufbauen des Jochs, vorzugsweise auf einem Schichtabschnitt mindestens einer Bodenplattenschicht. Form und/oder räumliche Ausbreitung des Jochs kann an die Bodenplatte angepasst werden. Bevorzugt wird die Form und/oder räumliche Ausbreitung des Jochs so aufgebaut, dass diese (nur) einen geringen Raum benötigt. Hierbei kann die Form und/oder räumliche Ausbreitung des Jochs auch hinsichtlich thermischer und/oder schwingungstechnischer Aspekte ausgelegt werden. Das Joch kann mit mehreren übereinander liegenden Schichten aufgebaut werden.
Bevorzugt wird das Joch in Schritt b) auf einer Außenoberfläche der Bodenplatte aufgebaut. Die Außenoberfläche betrifft hier eine nach außen weisende Oberfläche der Bodenplatte.
In Schritt c) erfolgt ein schichtweises Aufbauen der Pole. Jeder Pol ist jeweils an seinem einen Endbereich mit einer Innenwand des Jochs einstückig verbunden.
Mit Blick auf die Geometrie der Konsole ist weiterhin bevorzugt ein Verfahren, wobei nacheinander zumindest die folgenden Schritte ausgeführt werden:

i. schichtweises Aufbauen der Bodenplatte,
ii. schichtweises Aufbauen eines ersten Teils des Jochs,
iii. schichtweises Aufbauen eines zweiten Teils des Jochs und der Pole,
iv. schichtweises Aufbauen eines dritten Teils des Jochs.

In Bereichen des Jochs, in denen die Pole am Joch angeordnet sind, können unterschiedliche Materialien, insbesondere unterschiedliche metallische Materialien für die Schichten vorgesehen sein. Es kann vorteilhaft sein, für diese Bereiche des Jochs (neben weichmagnetischem Material) einen Stahlwerkstoff zu verwenden, der gut schweißbar ist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass dabei für das Joch weichmagnetische Werkstoffe verwendet werden. Die Bodenplatte kann beispielsweise alternativ auch mit einem Stahl gebildet sein. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das schichtweise Aufbauen des Jochs und das schichtweise Aufbauen der Pole mit einer Hybrid-Druckmaschine bzw. einem Hybrid-Drucker durchgeführt werden. Bevorzugt werden das Joch und die Pole mit derselben Hybrid-Druckmaschine bzw. demselben Hybrid-Drucker schichtweise aufgebaut. Unter einer Hybrid-Druckmaschine ist insbesondere ein Mehrkomponenten-3D-Drucker bzw. Kombinationsdrucker zu verstehen. Die Hybrid-Druckmaschine ist vorzugsweise zur Durchführung eines kombinierten generativen Fertigungsverfahrens bzw. eines „additive manufacturing“-Verfahrens vorgesehen und eingerichtet. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass sich die Hybrid-Druckmaschine dadurch auszeichnet, dass sie sowohl metallische Schichten, z. B. aus gut schweißbarem Stahl, als auch metallische Schichten, z. B. aus einem elektromagnetischen Werkstoff, aufbringen kann.
Vorzugsweise erfolgt in einem Schritt d) ein Bestücken der Pole mit bereitgestellten Spulen, wobei der Querschnitt der Pole und der Innenquerschnitt der Spulen aufeinander abgestimmt sind.
Bevorzugt erfolgt in einem Schritt e) ein Bestücken des Jochs mit mindestens einem bereitgestellten Permanentmagneten.
Bevorzugt umfasst Schritt b) das schichtweise Aufbauen einer Stützstruktur zum Abstützen des Jochs.
Mit Vorteil werden die Unterseite der Bodenplatte und/oder die Stirnflächen der Pole durch ein abtragendes Verfahren nachbearbeitet.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Konsole eines Steuermotors für eine Ventilanordnung, insbesondere Hydraulikventil-Anordnung, vorgeschlagen, zumindest umfassend:

– eine schichtweise aufgebaute Bodenplatte,
– ein schichtweise aufgebautes Joch,
– zwei schichtweise aufgebaute Pole,

Bevorzugt sind die Bodenplatte, das Joch und die Pole zu einem integrierten Bauteil verbunden. Besonders bevorzugt ist das Joch auf einen Bereich der Bodenplatte, insbesondere einem Schichtabschnitt einer Bodenplatten-Schicht schichtweise aufgebaut. Bevorzugt ist die Konsole nach einer der hier vorgeschlagenen Ausführungsvarianten des Verfahrens hergestellt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Konsole mit einem metallischen Material gebildet ist.
Die vorstehend im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei der hier vorgestellten Konsole auftreten und umgekehrt. Insbesondere wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Besonders bevorzugt ist es, eine Konsole eines Steuermotors für eine Ventilanordnung, wie sie vorstehend erläutert wird, zur Förderung einer unter Hochdruck stehenden Hydraulikflüssigkeit zu verwenden. Eine solche Ventilanordnung kann auch als Hydraulikblock bezeichnet werden. An bzw. in der Ventilanordnung können weitere (separate) Leitungsabschnitte, Ventile, Filter und dergleichen angeschlossen bzw. gebildet werden. Die bevorzugte Anwendung der Ventilanordnung kann anhand folgender Charakteristika veranschaulicht werden:

– Hydraulikflüssigkeit: Öl
– beispielhafter, maximaler Arbeitsdruck: 50 bis 400 bar (statisch oder dynamisch)
– beispielhafter, maximaler Volumenstrom: bis 200 l/min [Liter pro Minute] bei einem Ventildruckabfall von 70 bar
– typischer Arbeitstemperaturbereich: –30 bis 120 °C
– typischer Viskositätsbereich: 2,8 bis 500 mm²/s [Quadratmillimeter pro Sekunde]

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere in einer Reduzierung der Herstellungskosten der Konsole, sowie in der technischen Optimierung des Steuermotors. Die Erfindung ermöglicht eine Verbesserung des Magnetflusses (Luftspalte, Reduzierung von Streuflüssen), der Baugröße, der Spulenbefestigung, sowie der mechanischen Steifigkeit der Konsole. Die Herstellung der kompletten Konsole aus einem Teil mit Hilfe additiver Herstellungsverfahren erlaubt als weiteren Vorteil eine Minimierung der Nacharbeit (nur Gewinde, Rauheit der Grundfläche und Erodieren der Pole).
Die Erfindung, sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es ist darauf hinzuweisen, dass gleiche Bauteile in den verschiedenen Figuren stets mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen schematisch:
1: ein 2-stufiges elektrohydraulisches Servo-Wegeventil in einer Schnittdarstellung mit einem Steuermotor,
2: eine Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung einer schichtweise aufgebauten Konsole eines Steuermotors,
3a: perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Konsole,
3b: Vorderansicht auf einen Schnitt durch die Konsole gemäß 3a mit schichtweisem Aufbau der Bodenplatte, des Jochs und der Pole,
4 perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Konsole,
5 perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Konsole,
6 Vorderansicht auf einen Schnitt durch einen Pol gemäß 5 und durch eine auf den Pol aufgestellte Spule,
7 Vorderansicht auf einen Teil der Bodenplatte und einen Teil des Jochs mit einer Stützstruktur,
1 zeigt schematisch ein 2-stufiges elektrohydraulisches Servo-Wegeventil (Ventilanordnung 48 mit einem Ventilgehäuse 49) in einer Schnittdarstellung. Der Steuermotor 1, z. B. Torquemotor, weist eine Konsole 4 auf, die zumindest eine Bodenplatte 5, ein Joch 6, sowie einen ersten Pol 7 und einen zweiten Pol 8 aufweist. Der erste Pol 7 und der zweite Pol 8 sind jeweils von einer ersten Spule 9 bzw. zweiten Spule 10 umgeben. Die schichtweise aufgebauten Bauteile Bodenplatte 5, Joch 6, erster Pol 7 und zweiter Pol 8 der Konsole 4 sind nach dem hier vorgeschlagenen Verfahren hergestellt.
Zur Veranschaulichung soll kurz die Funktionsweise des in 1 dargestellten elektrohydraulischen Servo-Wegeventils erläutert werden. Durch ein elektrisches Eingangssignal an den Spulen 9, 10 des Steuermotors 1 wird über einen an einer Befestigungsplatte 52 gehaltenen Permanentmagneten 11 eine Kraft auf einen Anker 12 erzeugt, die in Verbindung mit einem Biegerohr 13 ein Drehmoment bewirkt. Dadurch wird die durch einen Bolzen mit dem Biegerohr 13 verbundene Prallplatte 14 aus der Mittelstellung zwischen den beiden Regeldüsen 15, 16 bewegt und es entsteht eine Druckdifferenz an den Stirnseiten des Steuerkolbens 3 (hydraulischer Verstärker 2). Die Druckdifferenz bewirkt eine Lageänderung des Steuerkolbens 3, wodurch der Druckanschluss P mit dem einen Verbraucheranschluss A und gleichzeitig der andere Verbraucheranschluss B mit dem Rücklaufanschluss T verbunden wird. Der Steuerkolben 3 ist mittels einer Biegefeder 17 (mechanische Rückführung) mit der Prallplatte 14 bzw. dem Steuermotor 1 verbunden. Eine Lageänderung des Steuerkolbens 3 erfolgt so lange, bis sich die Rückführ-Biegefeder 17 und das elektromagnetische Drehmoment des Steuermotors 1 im Gleichgewicht befinden und die Druckdifferenz am Düsen-Prallplattensystem zu Null wird. Der Hub des Steuerkolbens 3 und somit der Volumenstrom des Servoventils wird dadurch proportional zum elektrischen Eingangssignal geregelt. Mit 18 sind Drosseln bezeichnet. In dieser Ausführungsform ist die Konsole 4 in einem Schutzgehäuse 53 integriert, die jedoch optional ist.
2 zeigt schematisch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung einer Konsole 4 der hier vorgeschlagenen Art. Zu diesem Zweck ist ein Behälter 19 mit einem, mittels einer Verschiebevorrichtung 20, (vertikal) bewegbaren Untergrund 21 ausgeführt. Auf diesem Untergrund 21 kann eine Schicht 22 losen Materials 23 mittels des Füllapparats 24 abgelegt werden. Ist die vorgegebene Schichthöhe erreicht, wird ein hochenergetischer Strahl 25, der in einem Strahlgenerator 26 erzeugt und ggf. mittels einer Optik 27 abgelenkt wird, hin zu dem losen Material 23 geführt. Dabei überstreicht der hochenergetische Strahl 25 einen vorgegebenen Pfad 28 entlang der Schicht 22, wobei das lose Material 23 zumindest teilweise aufgeschmolzen und mit dem benachbarten Material versintert wird. Auf diese Weise kann Schicht für Schicht 22 sukzessive ein gewünschter Festkörper 29 erzeugt werden. Die einzelnen Prozesse bzw. Apparaturen der Anordnung können mittels einer Kontrolleinheit 30 und hierfür geeigneten Datenleitungen 31 gesteuert werden, so dass die gewünschte Bauteilgeometrie erreicht wird. Insbesondere gibt die Kontrolleinheit 30 aufgrund ihrer zur Verfügung gestellten CAD-Daten für die Bewegung des Füllapparats 24, des hochenergetischen Strahls 25 (z. B. über die Optik 27) und des Untergrunds 21 gezielt vor.
In den 3a, 4 und 5 sind die Schichten 22 aus Gründen der Übersicht nicht dargestellt. Die Bodenplatte 5, das Joch 6 und die Pole 7, 8 der in den 3a, 4 und 5 gezeigten Konsole 4 sind nach dem hier vorgestellten Verfahren hergestellt und weisen den in 3b dargestellten schichtweisen Aufbau auf.
3a veranschaulicht schematisch eine erste Ausführungsform einer nach dem hier vorgestellten Verfahren hergestellten Konsole 4. Die einstückige Konsole 4 umfasst eine einstückige Bodenplatte 5, die – in Draufsicht gesehen – einen rechteckförmigen und einen kreisabschnittsförmigen Teil aufweist. Aus der Bodenplatte 5 wächst ein einstückiges Joch 6 heraus, das – in Vorderansicht gesehen – eine etwa umgekehrte U-Form aufweist. Das Joch 6 weist eine erste und eine zweite Seitenplatte 6a und 6b und eine Deckplatte 6c auf, wobei die Seitenplatten 6a, 6b und die Deckplatte 6c durch bogenförmige Übergangsstücke 6d, 6e miteinander verbunden sind. Die Seitenplatten 6a, 6b sind nur auf dem rechteckförmigen Teil der Bodenplatte 5 angeordnet. Zwischen den Innenwandflächen 36, 37 der Seitenplatten 6a und 6b ist ein freier Abschnitt e (siehe 3b) vorhanden. An der Innenwandfläche 36 der Seitenplatte 6a ist ein erster Pol 7 und an der Innenwandfläche 37 der Seitenplatte 6b ist ein zweiter Pol 8 jeweils mit ihren einen Endbereich einstückig mit den Seitenplatten 6a bzw. 6b verbunden. Die Pole 7, 8 sind als Vollzylinder ausgebildet und koaxial zueinander ausgerichtet. Zwischen den Stirnflächen 38, 39 an jeweils anderen Endbereichen der Pole 7, 8 ist ein freier Abschnitt f (siehe 3b) vorhanden. In dem freien Abschnitt f ist ein Anker 12 angeordnet, an dem ein Biegerohr 13 angebracht ist, das eine kreisförmige Öffnung 35 in der Bodenplatte 5 durchgreift. Oberhalb des Ankers 12 ist ein quaderförmiger Permanentmagnet 11 mit seiner rechteckigen Deckfläche an einer Befestigungsplatte 52 an der Innenfläche der Deckplatte 6c des Jochs 6 angebracht. Die Bodenplatte 5 ist auf einer Zylinderplatte 32 angebracht. Mit 33 und 34 sind eine erste und eine zweite stirnseitige Halteplatte eines Spulenträgers für die Spule 9 (siehe 1) bezeichnet, die einen Abstand zueinander aufweisen. Zwischen diesen endseitigen Halteplatten 33, 34 sind die (hier nicht dargestellten) Drahtwicklungen der Spule platziert, wobei die Drahtwicklungen (z. B. mit einem Drahtdurchmesser von ca. 0,1 mm [Millimeter]) nebeneinander und übereinander angeordent sind. Dem Pol 8 ist eine gleichartige Spule zugeordnet, die hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Haltenasen 51 fixieren die Halteplatten bzw. den Spulenträger und sorgen somit insbesondere für eine (ortsgenaue) Fixierung der Spule an der Konsole bzw. an dem Pol.
3b zeigt eine Vorderansicht auf einen Schnitt durch die Konsole 4 gemäß 3a und verdeutlicht den schichtweisen Aufbau der Bodenplatte 5, des Jochs 6 und der Pole 7, 8. In 3b ist schematisch die Schrittfolge eines beispielhaften Prozesses zur Herstellung der Konsole 4 veranschaulicht. Es ist gezeigt, dass die in 2 veranschaulichte Anordnung zum schichtweisen Aufbau der Konsole 4 verwendet werden kann. Hierzu wird der hochenergetische Strahl 25 mittels der Optik 27 entsprechend der zu erzeugenden dreidimensionalen Geometrie der Konsole 4 gelenkt.
Nach dem hier vorgestellten Verfahren werden nacheinander zumindest die folgenden Schritte ausgeführt:

i. Zuerst erfolgt der schichtweise Aufbau der Bodenplatte 5. Dazu werden mehrere Schichten 22 (Schicht für Schicht) der Bodenplatte 5 auf dem Untergrund 21 (siehe 2) aufgebaut.
ii. Anschließend erfolgt der schichtweise Aufbau des Jochs 6 und zwar eines ersten Teils des Jochs 6, der aus einem Teilbereich der Seitenwände 6a, 6b besteht, der sich über eine Höhe a erstreckt.
iii. Hieran anschließend erfolgt der schichtweise Aufbau eines zweiten Teils des Jochs 6 und der Pole 7, 8, wobei der zweite Teil des Jochs 6 aus weiteren Teilbereichen der Seitenwände 6a, 6b besteht, die sich über eine Höhe b erstrecken, sowie der Pole 7, 8.
iv. Schließlich erfolgt der schichtweise Aufbau des Jochs in einem dritten Teil, der sich über die Höhe c erstreckt und aus der Deckplatte 6c und den Übergangsstücken 6d, 6e besteht.

Die in 4 dargestellte zweite Ausführungsform der Konsole 4 entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 3a, 3b. Im Gegensatz hierzu weisen die Pole 7, 8 eine Querschnittsfläche auf, die aus einem rechteckigen und einem kreisabschnittsförmigen oder halbkreisförmigen Teil besteht.
Die in 5 gezeigte dritte Ausführungsform der Konsole 4 entspricht ebenfalls im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 3a, 3b. Demgegenüber weisen die Pole 7, 8 eine rechteckförmige (oder quadratische Querschnittsfläche) auf. Die Bodenplatte 5 weist – in Draufsicht gesehen – einen rechteckförmigen und – abweichend von den 3a, 3b – einen etwa halbovalen Teil auf. Die Öffnung 35 in der Bodenplatte 5 weist eine langgestreckte Form mit zwei geraden Seitenflächen und zwei gebogenen Stirnflächen auf. Mit innen rechteckigen Spulen 9, 10 (siehe 6) ist eine verbesserte Ausnutzung des Bauraumes bzw. eine kompaktere Bauweise ermöglicht. Weiterhin sind Haltenasen 51 zur Fixierung der Spulen eingezeichnet.
Die in 1 gezeigten Spulen 9, 10 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Metalldraht, der zu endlos nebeneinander aufgereihten Schlaufen geformt ist, die in axialer Richtung einen hohlen Innenraum freilassen. Die Spulen 9, 10 werden in axialer Richtung auf die Pole 7, 8 aufgesteckt. Der jeweilige Querschnitt 43, 44 der Pole 7, 8 und der jeweilige Innenquerschnitt 45, 46 der Spulen 9, 10 sind nach Form und Güte aufeinander abgestimmt. Insbesondere bilden diese einen Formschluss miteinander aus, so dass zusätzliche Maßnahmen zur Lagefixierung der Spulen auf den Polen reduziert oder gar vermieden werden können. Die Stirnflächen 38, 39 der Pole 7, 8 sind deckungsgleich mit den Flächen der Querschnitte 43, 44 durch die Pole 7, 8. Dem in den 3a, 4 und 5 angedeuteten unterschiedlichen Querschnitt 43, 44 der Pole 7, 8 entspricht jeweils ein entsprechend geformter bzw. ausgebildeter Innenquerschnitt 45, 46 der Spulen 9, 10. Die Spulen 9, 10 sind koaxial auf den Polen 7, 8 angeordnet.
Der Anker 12 kann ebenfalls schichtweise nach dem hier vorgestellten Verfahren hergestellt werden. Auf diese Weise kann der Anker 12 in Form und Güte an die Stirnflächen 38, 39 bzw. die Querschnitte 43, 44 der Pole 7, 8 angepasst werden.
Auch kann die zusätzliche Herstellung einer (nicht dargestellten) Haltenut oder -nase 51 für die Spulen 9, 10 an der Konsole 4 additiv erfolgen.
Die Bodenplatte 5 weist gemäß den 3a, 4 und 5 mindestens zwei weitere durchgehende kreisförmige Ausnehmungen 41, 42 auf. Die Öffnung 35 und die Ausnehmungen 41, 42 werden durch das hier vorgestellte Verfahren erzeugt.
Nach 7 ist eine Stützstruktur 47 zum Abstützen des Jochs 6 vorhanden. Die Stützstruktur 47 ist im Winkelbereich zwischen dem Joch 6 und der Bodenplatte 5 vorhanden. Auch wenn 7 veranschaulicht, dass die Stützstruktur 47 innerhalb des Jochs 6, also im Bereich unterhalb der Pole 7,8 vorgesehen sein kann, so ist gerade unter beengten Platzverhältnissen zusätzlich oder alternativ möglich, diese an die gegenüberliegende Seite des Jochs 6, also insbesondere außerhalb des Jochs 6 anzuformen. Die Querschnittsfläche durch die Stützstruktur 47 ist hier im Wesentlichen dreieckförmig, wobei die Hypotenuse des Dreiecks die Innenwandfläche 36 des Jochs 6 mit der Oberseite 50 der Bodenplatte 5 verbindet. Die Stützstruktur 47 (z. B. nach Art einer Versteifungsrippe) wird mit dem hier vorgestellten Verfahren mit dem Joch 6 und der Bodenplatte 5 zu einem einstückigen Bauteil verbunden. Schritt b) des Verfahrens umfasst das schichtweise Aufbauen der Stützstruktur 47. Die Stützstruktur 47 wächst aus der Oberseite 50 der Bodenplatte 5 heraus. Die Stützstruktur 47, die außerdem (nicht dargestellt) zwischen der Innenwandfläche 37 und der Oberseite 50 vorhanden sein kann, erhöht die mechanische Steifigkeit der Konsole 4.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 17 405 [0023]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Konsole (4) eines Steuermotors (1), die zumindest eine Bodenplatte (5), ein Joch (6) und zwei nach innen zeigende Pole (7, 8) umfasst, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: a) schichtweises Aufbauen der Bodenplatte (5) auf einem Untergrund (21), b) schichtweises Aufbauen des Jochs (6), c) schichtweises Aufbauen der Pole (7, 8), wobei die Bodenplatte (5) mit dem Joch (6) und das Joch (6) mit den Polen (7, 8) verbunden wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die Bodenplatte (5), das Joch (6) und die Pole (7, 8) zu einem einstückigen Bauteil verbunden werden.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei das Aufbauen der Konsole (4) zumindest die folgenden Zwischenschritte umfasst: 1) Bereitstellen einer Schicht (22) losen Materials (23) auf einem Untergrund (21), 2) Verbinden der Schicht (22) zu einem Festkörper (29) mittels eines hochenergetischen Strahls (25), der einem vorgegebenen Pfad (28) entlang der Schicht (22) folgt, 3) Wiederholen der Schritte 1) und 2).
Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei in einem Schritt d) ein Bestücken der Pole (7, 8) mit bereitgestellten Spulen (9, 10) erfolgt, wobei der Querschnitt (43, 44) der Pole (7, 8) und der Innenquerschnitt (45, 46) der Spulen (9, 10) aufeinander abgestimmt sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei in einem Schritt e) ein Bestücken des Jochs (6) mit mindestens einem bereitgestellten Permanentmagneten (11) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei Schritt b) das schichtweise Aufbauen einer Stützstruktur (47) zum Abstützen des Jochs (6) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei zumindest eine Unterseite (40) der Bodenplatte (5) oder eine Stirnfläche (38, 39) der Pole (7, 8) durch ein abtragendes Verfahren nachbearbeitet werden.
Konsole für eine Steuermotor (1) zumindest umfassend: – eine schichtweise aufgebaute Bodenplatte (5), – ein schichtweise aufgebautes Joch (5), – zwei schichtweise aufgebaute Pole (7, 8), wobei die Bodenplatte (5) mit dem Joch (6) und das Joch (6) mit den Polen (7, 8) verbunden sind.
Konsole (4) nach Patentanspruch 8, wobei die Konsole (4) mit einem Verfahren nach den Patenansprüchen 1–7 hergestellt ist.
Konsole (4) nach Patentanspruch 8 oder 9, wobei die Konsole (4) mit einem metallischen Material (23) gebildet ist.
Verwendung einer Konsole nach einem der vorstehenden Patentansprüche bei einem Steuermotor (1) für eine Ventilanordnung (48) in einer Anordnung zur Förderung einer unter Hochdruck stehenden Hydraulikflüssigkeit.