DE102017002581B3 - Method for producing a component - Google Patents

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DE102017002581B3
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, bei dem mittels eines computergestützten Simulationsprogramms in einem ersten Konstruktionsschritt in Abhängigkeit konstruktiver Randbedingungen, unter anderem eines verfügbaren Bauteil-Bauraums (BR) und zumindest eines Lastfalls sowie Bauteil-Lagerungsbedingungen, ein idealer Lastpfad (L) durch den Bauteil-Bauraum (BR) ermittelt wird, auf dessen Grundlage ein erstes Bauteil-Modell (M) komplett aus Vollmaterial generiert wird. Erfindungsgemäß erfolgt in einem zweiten Konstruktionsabschnitt eine Aufteilung des ersten Bauteil-Modells (M) in zumindest eine erste Bauteilzone (V) mit im Lastfall hoher Kraftdichte und in zumindest eine zweite Bauteilzone (V) mit im Lastfall niedriger Kraftdichte. Im zweiten Konstruktionsschritt wird ferner ein zweites Bauteil-Modell (M) generiert, bei dem die erste Bauteilzone (V) mit hoher Kraftdichte durch ein dreidimensionales, fachwerkartiges Stabwerk (13) mit Hohlstruktur (16) ersetzt wird, und die zweite Bauteilzone (V) mit niedriger Kraftdichte unter Weglassung von Bauteil-Werkstoff durch einen Werkstoff-Freiraum (19) ersetzt wird.The invention relates to a method for producing a component in which by means of a computer-aided simulation program in a first construction step in dependence on constructive boundary conditions, including an available component space (BR) and at least one load case and component storage conditions, an ideal load path (L). is determined by the component space (BR), based on which a first component model (M) is completely generated from solid material. According to the invention, the first component model (M) is divided into at least one first component zone (V) in the load case of high force density and in at least one second component zone (V) in the load case with low force density. In the second construction step, a second component model (M) is furthermore generated, in which the first component zone (V) is replaced by a three-dimensional, framework-like framework (13) with hollow structure (16) with high force density, and the second component zone (V). is replaced with a low power density omitting component material by a material clearance (19).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Bauteil nach dem Patentanspruch 6.The invention relates to a method for producing a component according to the preamble of claim 1 and a component according to claim 6.

Die Topologie eines mechanischen Bauteils wird häufig mit Hilfe computergestützter Optimierungsverfahren verbessert. Dabei wird die Finite-Elemente-Methode als Standardwerkzeug bei der Bauteilsimulation verwendet, die ein numerisches Verfahren zur Lösung von partiellen Differenzialgleichungen ist, und/oder mechanische Gleichgewichtsbeziehungen. Das Ziel einer solchen Bauteiloptimierung besteht darin, eine belastungsgerechte Materialverteilung im Bauteil aufzufinden, während gleichzeitig das Bauteil-Modell ein möglichst niedriges Bauteilgewicht haben soll. Beispielhaft basiert das in der Industrie eingesetzte Topologie-Optimierungsverfahren auf dem sogenannten SIMP-Ansatz (Solid Isotropie Microstructure with Penalisation). Dieser mathematische Ansatz nutzt Ableitungsverfahren innerhalb von Sensilitätsanalysen, um gemäß einer normierten Dichte die Designvariablen zu modifizieren. Ergebnis dieses Verfahrens sind sogenannte 0-1-Materialverteilungen, das heißt Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein von Material an Gitterpunkten, die als Bauteilkonstruktionen interpretierbar sind. Beispielhaft ist auf die DE 103 47 786 A1 oder auf die DE 10 2014 220 868 A1 verwiesen.The topology of a mechanical component is often improved with the aid of computer-aided optimization methods. The finite element method is used as the standard tool in component simulation, which is a numerical method for solving partial differential equations, and / or mechanical equilibrium relations. The aim of such component optimization is to find a load-appropriate material distribution in the component, while at the same time the component model should have the lowest possible component weight. By way of example, the topology optimization method used in industry is based on the so-called SIMP (Solid Isotropic Microstructure with Penalization) approach. This mathematical approach uses derivation methods within sensitivity analyzes to modify the design variables according to a normalized density. The result of this process are so-called 0-1 material distributions, that is, the presence or absence of material at grid points that are interpretable as component designs. Exemplary is on the DE 103 47 786 A1 or on the DE 10 2014 220 868 A1 directed.

Zudem ist ein computergestütztes Simulationsprogramm bekannt, mit dem ein Bauteil-Modell generierbar ist, das im verfügbaren Bauteil-Bauraum eine sogenannte Lattice-Struktur aufweist, bei der Tetraeder miteinander vernetzt sind, deren Kanten durch dünne Stäbe ersetzt sind.In addition, a computer-aided simulation program is known, with which a component model can be generated, which has a so-called lattice structure in the available component space in which tetrahedra are networked with each other, whose edges are replaced by thin rods.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bereitzustellen, das im Vergleich zum Stand der Technik ein reduziertes Bauteilgewicht bei gesteigerter Bauteilsteifigkeit aufweist.The object of the invention is to provide a method for producing a component, which has a reduced component weight with increased component rigidity in comparison to the prior art.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of claim 1 or 6. Preferred embodiments of the invention are disclosed in the subclaims.

Erfindungsgemäß wird mit Hilfe eines computergestützten Simulationsprogrammes in einem ersten Konstruktionsschritt zunächst eine herkömmliche, klassische Topologieoptimierung durchgeführt. Bei dieser wird in Abhängigkeit konstruktiver Randbedingungen, das heißt unter anderem eines verfügbaren Bauteil-Bauraums und zumindest eines Lastfalls sowie Bauteil-Lagerungsbedingungen, ein idealer Lastpfad durch den Bauteil-Bauraum ermittelt. Auf dessen Grundlage wird im ersten Konstruktionsschritt ein erstes Bauteil-Modell komplett aus Vollmaterial generiert. Darauffolgend wird in einem zweiten Konstruktionsschritt das ersten Bauteils-Modell unterteilt in zumindest eine erste Bauteilzone mit im Lastfall hoher Kraftdichte und in zumindest eine zweite Bauteilzone mit im Lastfall niedriger Kraftdichte. Anschließend wird ein zweites Bauteil-Modell generiert, bei dem die erste Bauteilzone mit hoher Kraftdichte durch ein dreidimensionales, fachwerkartiges Stabwerk mit Hohlstruktur ersetzt wird. Dieses Stabwerk kann durch den Kraftfluss in seiner Dimensionierung (Durchmesser) beeinflusst werden. Die zweite Bauteilzone mit niedriger Kraftdichte wird dagegen unter Weglassung von Bauteil-Werkstoff komplett durch einen Werkstoff-Freiraum ersetzt.According to the invention, a conventional, classical topology optimization is first carried out with the aid of a computer-aided simulation program in a first construction step. In this case, an ideal load path through the component installation space is determined as a function of constructive boundary conditions, that is, inter alia, an available component installation space and at least one load case as well as component storage conditions. On the basis of this, a first component model is completely generated from solid material in the first construction step. Subsequently, in a second construction step, the first component model is subdivided into at least one first component zone with a high force density in the load case and into at least one second component zone with a low force density in the load case. Subsequently, a second component model is generated in which the first component zone is replaced with high power density by a three-dimensional, truss-like framework with hollow structure. This framework can be influenced by the power flow in its dimensions (diameter). By contrast, the second component zone with low power density is completely replaced by a material clearance, omitting component material.

Unter einem Kraftfluss bzw. Lastpfad versteht man den Weg einer Kraft und/oder eines Moments in dem Bauteil vom Angriffspunkt (Stelle der Krafteinleitung) bis zur Stelle der Kraftausleitung, an der diese durch eine Reaktionskraft und/oder ein Reaktionsmoment aufgenommen werden. Die Kraftdichte ergibt sich aus der in das Bauteil eingeleiteten Kraft bezogen auf eine Fläche (d.h. Flächenkraftdichte) oder auf ein Volumen (Volumenkraftdichte). Die Flächenkraftdichte wird auch als mechanische Spannung bezeichnet.A force flow or load path is understood to be the path of a force and / or a moment in the component from the point of application (point of introduction of force) to the location of the force discharge, at which these are absorbed by a reaction force and / or a reaction moment. The force density results from the force introduced into the component with respect to an area (i.e., area force density) or to a volume (volume force density). The area force density is also called mechanical stress.

Aufgrund der Kombination der herkömmlichen klassischen Topologieoptimierung, die im ersten Konstruktionsschritt vorgenommen wird, mit der im zweiten Konstruktionsschritt bereitgestellten Lattice-Struktur (das heißt dem Stabwerk) kann sich ein im Vergleich zum obigen Stand der Technik ein um exemplarisch 40% reduziertes Bauteilgewicht ergeben, und zwar bei gleicher Bauteilsteifigkeit oder sogar bei einer z.B. um 12% gesteigerten Bauteilsteifigkeit.Due to the combination of the conventional classical topology optimization, which is carried out in the first construction step, with the provided in the second construction step lattice structure (that is, the framework), compared to the above prior art, by an exemplary 40% reduced component weight may result, and Although with the same component stiffness or even in an example By 12% increased component stiffness.

Das im zweiten Konstruktionsschritt generierte zweite Bauteil-Modell bildet die Grundlage für einen anschließenden Fertigungsschritt. Im Fertigungsschritt kommt bevorzugt ein 3D-Metalldruckverfahren zur Anwendung, das auf der Grundlage des obigen zweiten Bauteil-Modells das tatsächliche Bauteil anfertigt, und zwar materialeinheitlich und/oder einstückig.The second component model generated in the second construction step forms the basis for a subsequent production step. In the manufacturing step, a 3D metal printing method is preferably used which, on the basis of the above second component model, produces the actual component, namely in the same material and / or in one piece.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann im zweiten Konstruktionsschritt an einem Kraftein- oder -ausleitungspunkt des Bauteils zumindest eine dritte Bauteilzone definiert werden, zum Beispiel einem Befestigungsauge eines Fahrwerks-Lenkers, in dem ein Lager zur Anlenkung an einem Radträger oder am Fahrzeugaufbau einsetzbar ist. Die dritte Bauteilzone ist bevorzugt - im Unterschied zur ersten und zweiten Bauteilzone des zweiten Bauteil-Modells - aus Vollmaterial aufgebaut.In a development of the invention, at least one third component zone can be defined in the second construction step at a force input or output point of the component, for example a fastening eye of a chassis link, in which a bearing can be used for articulation on a wheel carrier or on the vehicle body. The third component zone is preferred - in contrast to the first and second component zone of the second component model - constructed of solid material.

In einer weiteren technischen Umsetzung kann im zweiten Konstruktionsschritt zusätzlich eine vierte Bauteilzone im Bauteil-Modells definiert werden, die einer geschlossenflächigen Bauteil-Außenhaut aus Vollmaterial entspricht. In diesem Fall weist das zweite Bauteil-Modell eine komplett oder zumindest teilweise vollflächig geschlossene Außenfläche auf, die das innere dreidimensionale fachwerkartige Stabwerk vollständig umhüllt, oder überdeckt. Alternativ dazu kann das Stabwerk auch aus der Hülle „herauswachsen“. In a further technical implementation, a fourth component zone in the component model can additionally be defined in the second construction step, which corresponds to a closed-surface component outer skin made of solid material. In this case, the second component model has a completely or at least partially completely closed outer surface, which completely envelopes or covers the inner three-dimensional framework-like framework. Alternatively, the framework can also "grow out" of the shell.

Die Stäbe des dreidimensionalen, fachwerkartigen Stabwerkes des Bauteils bzw. des zweiten Bauteil-Modells können an kraftleitenden, insbesondere inneren Knotenpunkten materialeinheitlich und/oder einstückig zusammenlaufen. Zudem können die Stäbe an weiteren kraftleitenden, insbesondere äußeren Knotenpunkten materialeinheitlich und/oder einstückig in die dritte oder vierte aus Vollmaterial aufgebaute Bauteilzone des Bauteils bzw. des zweiten Bauteil-Modells übergehen. Im Hinblick auf eine einwandfreie Kraftüberleitung an den äußeren Knotenpunkten ist es bevorzugt, wenn der Stabquerschnitt am äußeren Knotenpunkt aufgeweitet wird.The bars of the three-dimensional, truss-like framework of the component or the second component model can converge material-force and / or in one piece at force-conducting, in particular inner nodes. In addition, the rods can pass on to other force-conducting, in particular outer nodal points of uniform material and / or in one piece into the third or fourth component zone of the component or of the second component model constructed of solid material. With regard to a perfect force transmission at the outer nodes, it is preferred if the rod cross-section is widened at the outer node.

Die Erfindung ist auf die Herstellung eines beliebigen Bauteils anwendbar, das zumindest ein dreidimensionales fachwerkartiges Stabwerk aufweist. Nachfolgend sind spezielle Fahrzeug-Bauteile hervorgehoben, die im erfindungsgemäßen Verfahren unter Anwendung 3D-Metalldruckprozesses hergestellt sind: So kann das Bauteil ein Fahrwerkslenker für ein zweispuriges Fahrzeug sein, der in einer Fahrzeugquerrichtung an zumindest einer fahrzeugäußeren Anlenkstelle ein Befestigungsauge für eine Lager-Anbindung an einem, ein Fahrzeugrad tragenden Radträger aufweist. Demgegenüber kann der Fahrwerkslenker an zumindest einer fahrzeuginneren Anlenkstelle ein weiteres Befestigungsauge für eine Lager-Anbindung am Fahrzeugaufbau aufweisen. Die beiden Befestigungsaugen sind bevorzugt als Kraftein- oder -ausleitungspunkte mit im Lastfall stark gesteigerter Kraftdichte zu betrachten. Vor diesem Hintergrund sind die Befestigungsaugen aus einem Vollmaterial, d.h. nicht als Stabwerk, ausgeführt. Demgegenüber können zwischen den beiden Befestigungsaugen verlaufende Lenkerabschnitte als Stabwerk ausgeführt ist. Bevorzugt ist es, wenn das Stabwerk außenseitig insbesondere komplett vollflächig von einer, aus Vollmaterial gebildeten Material-Außenhaut überdeckt ist, um das innere Stabwerk vor äußeren mechanischen Einflüssen, z.B. Steinschlag, zu schützen.The invention is applicable to the manufacture of any component which has at least one three-dimensional truss-like framework. In the following special vehicle components are highlighted, which are produced in the process according to the invention using 3D metal printing process: Thus, the component may be a suspension arm for a two-lane vehicle, in a vehicle transverse direction at least one vehicle articulation An attachment eye for a bearing connection to a Having a vehicle wheel-carrying wheel carrier. In contrast, the suspension control arm can have at least one vehicle-internal articulation point another attachment eye for a bearing connection to the vehicle body. The two fastening eyes are preferably to be considered as force input or output points with strongly increased load density in the load case. Against this background, the attachment eyes are made of a solid material, i. not as a framework, executed. In contrast, running between the two fastening eyes handlebar sections is designed as a framework. It is preferred if the framework is covered on the outside, in particular completely over the entire surface, by a material outer skin formed from solid material in order to protect the inner framework from external mechanical influences, e.g. Rockfall, protect.

In einer weiteren Ausführungsvariante kann das Bauteil ein inneres Stabwerk aufweisen, das außenseitig von einer geschlossenflächigen Außenhaut umhüllt ist. In diesem Fall kann die Hohlstruktur des Stabwerkes für eine Betriebsmittel-Führung genutzt werden. Beispielhaft kann als Betriebsmittel ein Kühlmittel oder dergleichen sein, das von einem in der Außenhaut ausgebildeten Betriebsmittel-Einlass zu einem Betriebsmittel-Auslass des Bauteils geführt wird. In einer technischen Realisierung kann das Bauteil eine Felge mit einem radial inneren Nabenkörper und einem radial äußeren Felgenbett sein, die über einen Speichenabschnitt miteinander verbunden sind. Zumindest das Felgenbett sowie der Speichenabschnitt, ggf. auch der Nabenkörper, können aus einem inneren Stabwerk aufgebaut sein, das von einer Vollmaterial-Außenhaut fluiddicht umhüllt ist. In diesem Fall kann die Hohlstruktur des Stabwerkes zur Luftleitung eingesetzt werden, bei der die Luft von einem Luftventil (das heißt dem Betriebsmittel-Einlass), über das Stabwerk und einem im Felgenbett ausgebildeten Luftauslass bis in den Reifen-Innenraum eines auf der Felge montierten schlauchlosen Reifens geleitet wird. In diesem Fall kann das Luftventil lageunabhängig vom Felgenbett positioniert sein. Bevorzugt kann das Luftventil zentral im Nahbereich des Nabenkörpers positioniert werden. Bei einer solchen zentrischen Anordnung des Luftventils ist eine Reifen-Unwucht wesentlich reduziert.In a further embodiment variant, the component may have an inner framework, which is enveloped on the outside by a closed outer skin. In this case, the hollow structure of the framework for a resource management can be used. By way of example, the operating medium may be a coolant or the like, which is guided from a resource inlet formed in the outer skin to a component outlet of the component. In a technical realization, the component may be a rim with a radially inner hub body and a radially outer rim base, which are connected to each other via a spoke portion. At least the rim well as well as the spoke section, possibly also the hub body, can be constructed from an inner framework that is enveloped in a fluid-tight manner by a solid-material outer skin. In this case, the hollow structure of the framework can be used for air duct, in which the air from an air valve (ie the resource inlet), the framework and an air outlet formed in the rim well into the tire interior of a mounted on the rim tubeless Tire is passed. In this case, the air valve can be positioned independently of the rim base. Preferably, the air valve can be positioned centrally in the vicinity of the hub body. In such a centric arrangement of the air valve, a tire imbalance is substantially reduced.

Alternativ dazu kann die Hohlstruktur des Stabwerkes des Bauteils zumindest teilweise oder vollständig mit einem Schaummaterial gefüllt werden, um gegebenenfalls eine Schallübertragung zu reduzieren bzw. die Akustikeigenschaften des Bauteils zu verbessern.Alternatively, the hollow structure of the framework of the component at least partially or completely filled with a foam material to possibly reduce a sound transmission or to improve the acoustic properties of the component.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.Hereinafter, embodiments of the invention are described with reference to the accompanying figures.

Es zeigen:

  • 1 einen im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fahrwerkslenker;
  • 2 und 3 jeweils Schnittansichten entlang der Schnittebenen A-A und B-B aus der 1;
  • 4 bis 6 jeweils Ansichten entsprechend der 2, die die Konstruktionsschritte zur Herstellung des in den 1 und 2 gezeigten Fahrwerkslenkers veranschaulichen;
  • 7 eine Fahrzeugfelge, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist; und
  • 8 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines weiteren Bauteils, in dem die Hohlstruktur des Stabwerks mit einem Schaum gefüllt ist.
Show it:
  • 1 a suspension link manufactured in the method according to the invention;
  • 2 and 3 each sectional view along the cutting planes AA and BB from the 1 ;
  • 4 to 6 each views according to the 2 that describe the design steps for making the in the 1 and 2 illustrated suspension link illustrate;
  • 7 a vehicle rim, which is produced by the method according to the invention; and
  • 8th an enlarged sectional view of another component in which the hollow structure of the framework is filled with a foam.

In der 1 ist ein als Dreieckslenker realisierter Fahrwerkslenker 1 gezeigt, der in einer nicht gezeigten Einbaulage in der Radaufhängung eines zweispurigen Kraftfahrzeugs verbaut ist. Der Fahrwerkslenker 1 ist über eine fahrzeugäußere Anlenkstelle A1 an einem, ein Fahrzeugrad tragenden Radträger anlenkbar und an zwei fahrzeuginneren Anlenkstellen A2, A3 an einem Fahrzeugaufbau des Fahrzeugs anlenkbar. Die Anlenkstellen A1, A2 und A3 sind in der 1 beispielhaft als Gummi-Metall-Lager realisiert, die in einem fahrzeugäußeren Befestigungsauge 5 sowie in fahrzeuginneren Befestigungsaugen 7 einsetzbar sind. Der in der 1 gezeigte Fahrwerkslenker weist eine in der 1 in der Fahrzeuglängsrichtung x ausgerichtete Längsstrebe 11 auf, die die beiden fahrzeuginneren Befestigungsaugen 7 miteinander verbindet. Zudem sind die beiden fahrzeuginneren Befestigungsaugen 7 über Querstreben 9 mit dem fahrzeugäußeren Befestigungsauge 5 verbunden.In the 1 is a realized as a wishbone suspension arm 1 shown, which is installed in a mounting position, not shown in the suspension of a two-lane motor vehicle. The suspension handlebar 1 is via a vehicle outside pivot point A1 on one, a vehicle wheel bearing Wheel carrier steerable and at two vehicle-internal articulation points A2, A3 articulated to a vehicle body of the vehicle. The articulation points A1, A2 and A3 are in the 1 exemplified realized as a rubber-metal bearings, which in a vehicle outer mounting eye 5 as well as in vehicle-internal fastening eyes 7 can be used. The Indian 1 shown suspension arm has a in the 1 in the vehicle longitudinal direction x aligned longitudinal strut 11 on which the two vehicle interior fixing eyes 7 connects with each other. In addition, the two vehicle inner mounting eyes 7 over cross struts 9 with the vehicle outside attachment eye 5 connected.

In der 2 ist der Materialaufbau der Längsstrebe 11 des Fahrwerkslenkers dargestellt. Der Materialaufbau der beiden Querstreben 9 kann in ähnlicher Weise realisiert sein: So weist die Längsstrebe 11 ein inneres dreidimensionales, fachwerkartiges Stabwerk 13 auf, das in der 3 dünne Stäbe 15 aufweist, die in einer Hohlstruktur 16 an kraftleitenden inneren Knotenpunkten K1 materialeinheitlich und/oder einstückig zusammenlaufen. Die Stäbe 15 können den Verlauf miteinander vernetzter Tetraeder-Kanten nachbilden.In the 2 is the material structure of the longitudinal strut 11 represented the suspension control. The material structure of the two cross struts 9 can be realized in a similar way: Thus, the longitudinal strut 11 an inner three-dimensional, truss-like framework 13 on that in the 3 thin bars 15 having, in a hollow structure 16 converge at kraftleitenden inner nodes K1 material uniformly and / or in one piece. The bars 15 can simulate the course of interconnected tetrahedral edges.

Das Stabwerk 13 ist in der 2 außenseitig von einer Bauteil-Außenhaut 17 aus Vollmaterial vollständig ummantelt, umhüllt oder überdeckt. Zudem ist auch das hohlzylindrische Befestigungsauge 7 aus einem Vollmaterial gefertigt. Wie aus der 3 hervorgeht, sind die Stäbe 15 des Stabwerkes 13 an kraftleitenden äußeren Knotenpunkten K2 materialeinheitlich und einstückig an dem hohlzylindrischen Befestigungsauge 7 angebunden. Um bei einer Bauteilbelastung eine einwandfreie Kraftüberleitung an den äußeren Knotenpunkten K2 zu erzielen, sind die Stabquerschnitte 18 der Stäbe 15 an den äußeren Knotenpunkten K2 konusartig aufgeweitet.The framework 13 is in the 2 on the outside of a component outer skin 17 completely encased, wrapped or covered in solid material. In addition, the hollow cylindrical attachment eye is also 7 made of a solid material. Like from the 3 shows, are the bars 15 of the framework 13 at kraftleitenden outer nodes K2 material uniform and integral to the hollow cylindrical mounting eye 7 tethered. In order to achieve a perfect force transfer at the outer nodes K2 at a component load, the rod cross-sections 18 of the bars 15 widened conically at the outer nodes K2.

Der in den 1 bis 3 dargestellte Fahrwerkslenker kann mittels eines computergestützten Simulationsprogrammes konstruiert und anschließend in einem Fertigungsschritt materialeinheitlich und einstückig in einem 3D-Metalldruckprozess hergestellt werden. Die hierzu erforderlichen Konstruktionsschritte sind anhand der folgenden 4 bis 6 veranschaulicht: So wird gemäß der 4 zunächst in einem ersten Konstruktionsschritt ein verfügbarer Bauteil-Bauraum BR sowie zumindest ein Lastfall und Lenker-Lagerungsbedingungen im Simulationsprogramm festgelegt. Auf dieser Grundlage wird im Simulationsprogramm ein in der 4 angedeuteter idealer Lastpfad L durch den Bauteil-Bauraum BR ermittelt. Auf der Grundlage des idealen Lastpfades L generiert das computergestützte Simulationsprogramm ein erstes Bauteil-Modell M1 ( 4) komplett aus Vollmaterial, und zwar unter Berücksichtigung der oben festgelegten konstruktiven Randbedingungen.The in the 1 to 3 shown suspension arms can be constructed by means of a computer-aided simulation program and then produced in a manufacturing step material uniformly and in one piece in a 3D metal printing process. The design steps required for this are based on the following 4 to 6 Thus, according to the 4 initially in a first construction step, an available component space BR and at least one load case and handlebar storage conditions set in the simulation program. On this basis, in the simulation program in the 4 indicated ideal load path L determined by the component space BR. On the basis of the ideal load path L, the computer-aided simulation program generates a first component model M 1 (FIG. 4 ) made entirely of solid material, taking into account the above design constraints.

Anschließend erfolgt in einem zweiten Konstruktionsschritt (5) eine Aufteilung des ersten Bauteil-Modells M1 in unterschiedliche Bauteilzonen V1 bis V4, wobei die Klassifizierung der Bauteilzonen V1 und V2 auf der Grundlage der im Lastfall zu erwartenden Kraftdichten erfolgt. Exemplarisch sind in der 5 im Bauteil-Modell M1 eine erste Bauteilzone V1 mit im Lastfall eine hohe Kraftdichte eingetragen, die im Querschnitt wie ein nach unten offenes U-Profil gebildet ist. Deren Profilschenkel begrenzen eine zweite Bauteilzone V2 mit im Lastfall niedriger Kraftdichte. Zudem ist in der 5 eine komplett aus Vollmaterial aufgebaute Bauteilzone V3 definiert, und zwar an den Befestigungsaugen 5, 7, die im Lastfall als Kraftein- oderausleitungspunkte wirken. Ferner ist in der 5 eine vierte Bauteilzone V4 definiert, die ebenfalls aus Vollmaterial ausführbar ist und eine geschlossenflächige Bauteil-Außenhaut 17 bildet.Subsequently, in a second construction step ( 5 ) a division of the first component model M 1 in different component zones V 1 to V 4 , wherein the classification of the component zones V 1 and V 2 is carried out on the basis of expected in the load case force densities. Exemplary are in the 5 in the component model M 1, a first component zone V 1 is entered with a high force density in the load case, which is formed in cross-section like a downwardly open U-profile. Their profile leg limit a second component zone V 2 with low power density in the load case. Moreover, in the 5 defines a completely constructed of solid material component zone V 3 , namely at the attachment eyes 5 . 7 which act as force input or output points in the load case. Furthermore, in the 5 defines a fourth component zone V 4 , which is also made of solid material executable and a closed-surface component outer skin 17 forms.

Im zweiten Konstruktionsschritt wird in der 6 - unter Bildung des zweiten Bauteil-Modells M2 - die oben definierte erste Bauteilzone V1 mit im Lastfall hoher Kraftdichte durch das dreidimensionale, fachwerkartige Stabwerk 13 ersetzt, während die zweite Bauteilzone V2 mit niedriger Kraftdichte unter Weglassung von Bauteil-Werkstoff komplett durch einen Werkstoff-Freiraum 19 ersetzt wird. Auf der Grundlage des in der 6 angedeuteten zweiten Bauteil-Modells M2 wird ein Fertigungsschritt durchgeführt, in dem im 3D-Metalldruckprozess der in der 1 gezeigte Fahrwerkslenker hergestellt wird.In the second construction step is in the 6 - Forming the second component model M 2 - the above-defined first component zone V 1 in the load case high power density through the three-dimensional, truss-like framework 13 replaced, while the second component zone V 2 with low power density omitting component material completely through a material clearance 19 is replaced. On the basis of in the 6 indicated second component model M 2 , a manufacturing step is carried out in which in the 3D metal printing process in the 1 shown suspension arm is made.

Alternativ zur 5 und 6 kann aus der vierten Bauteilzone V4 (d.h. aus der geschlossenflächigen Bauteil-Außenhaut 17 in der 6) zusätzlich ein in der 6 gestrichelt angedeutetes Stabwerk 13' (d.h. eine Lattice-Struktur) „herauswachsen“. Bevorzugt kann diese zusätzliche äußere Lattice-Struktur in den Werkstoff-Freiraum 19 (6) einragen.Alternative to 5 and 6 can from the fourth component zone V 4 (ie from the closed-surface component outer skin 17 in the 6 ) additionally in the 6 Dashed lines indicated framework 13 ' (ie a lattice structure) "outgrow". Preferably, this additional outer lattice structure in the material-free space 19 ( 6 ) protrude.

Nachfolgend ist anhand der 7 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, in dem das Bauteil eine Fahrzeugfelge ist. Diese weist gemäß der 7 ein radial äußeres Felgenbett 21 auf, das über einen Speichenabschnitt 23 mit einem radial inneren Nabenkörper 25 verbunden ist. Das Felgenbett 21 trägt einen nur grob angedeuteten schlauchlosen Fahrzeugreifen 27. In der 7 weist der aus einem Vollmaterial gefertigte hohlzylindrische Nabenkörper 25 in Flucht zur Drehachse eine Zentralöffnung 28 auf, durch die eine Zentrierschraube führbar ist. Zudem weist der Nabenkörper 25 umfangsverteile Felgenlöcher 26 auf.The following is based on the 7 A second embodiment of the invention shown in which the component is a vehicle rim. This has according to the 7 a radially outer rim base 21 on, that over a spoke section 23 with a radially inner hub body 25 connected is. The rim bed 21 carries only a roughly indicated tubeless vehicle tires 27 , In the 7 has the hollow cylindrical hub body made of a solid material 25 in flight to the axis of rotation a central opening 28 on, by a centering screw is feasible. In addition, the hub body 25 circumferential rims 26 on.

Im Unterschied zum Nabenkörper 25 sind in der 7 das Felgenbett 21 und der Speichenabschnitt 23 nicht komplett aus Vollmaterial, sondern aus einem inneren Stabwerk 13 aufgebaut. Das innere Stabwerk 13 ist außenseitig durch eine Außenhaut 17 komplett geschlossenflächig umhüllt.. Auf diese Weise kann die Hohlstruktur 16 des Stabwerkes 13 zur Luftleitung dienen, mittels der Luft von einem Luftventil 29 über zumindest einen im Felgenbett 21 ausgebildeten Luftauslass 31 in den Reifen-Innenraum 33 geführt wird. Auf diese Weise kann das Luftventil 29 lageunabhängig vom Felgenbett 21 positioniert werden, und zwar insbesondere in der in der 7 gezeigten zentrischen Anordnung, wodurch eine Reifen-Unwucht reduzierbar ist.In contrast to the hub body 25 are in the 7 the rim bed 21 and the spoke section 23 not entirely of solid material, but of an inner framework 13 built up. The inner framework 13 is on the outside by an outer skin 17 completely enclosed surface wrapped .. In this way, the hollow structure 16 of the framework 13 to serve the air duct, by means of the air from an air valve 29 about at least one in the rim 21 trained air outlet 31 in the tire interior 33 to be led. That way, the air valve can 29 independent of position from the rim 21 be positioned, and in particular in the 7 shown centric arrangement, whereby a tire imbalance is reducible.

In der 8 ist grob schematisch ein weiterer Materialaufbau eines erfindungsgemäß hergestellten Bauteils gezeigt. Der Materialaufbau weist ein Stabwerk 13 auf, das an äußeren Knotenpunkten K2 an einer aus Vollmaterial ausgebildeten Bauteilzone angebunden ist. Die Hohlstruktur im Stabwerk 13 ist in der 8 mittels eines Schaummaterial 35 gefüllt, wodurch dem Bauteil eine vorteilhafte Akustik verliehen ist.In the 8th is roughly schematically shown a further material structure of a component according to the invention. The material structure has a framework 13 on, which is connected to outer nodes K2 on a formed of solid material component zone. The hollow structure in the framework 13 is in the 8th by means of a foam material 35 filled, whereby the component is given a favorable acoustics.

Alternativ dazu kann das Bauteil auch eine zum Beispiel eine innenbelüftete Bremsscheibe sein, in der die Hohlstruktur 16 des Stabwerkes 13 die Bremsscheiben-Innenbelüftung unterstützt.Alternatively, the component may also be, for example, an internally ventilated brake disk in which the hollow structure 16 of the framework 13 the brake disc interior ventilation supported.

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, bei dem mittels eines computergestützten Simulationsprogramms in einem ersten Konstruktionsschritt in Abhängigkeit konstruktiver Randbedingungen, unter anderem eines verfügbaren Bauteil-Bauraums (BR) und zumindest eines Lastfalls sowie Bauteil-Lagerungsbedingungen, ein idealer Lastpfad (L) durch den Bauteil-Bauraum (BR) ermittelt wird, auf dessen Grundlage ein erstes Bauteil-Modell (M1) komplett aus Vollmaterial generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Konstruktionsabschnitt eine Aufteilung des ersten Bauteil-Modells (M1) in zumindest eine erste Bauteilzone (V1) mit im Lastfall hoher Kraftdichte und in zumindest eine zweite Bauteilzone (V2) mit im Lastfall niedriger Kraftdichte erfolgt, und dass im zweiten Konstruktionsschritt ein zweites Bauteil-Modell (M2) generiert wird, bei dem die erste Bauteilzone (V1) mit hoher Kraftdichte durch ein dreidimensionales, fachwerkartiges Stabwerk (13) mit Hohlstruktur (16) ersetzt wird, und die zweite Bauteilzone (V2) mit niedriger Kraftdichte unter Weglassung von Bauteil-Werkstoff durch einen Werkstoff-Freiraum (19) ersetzt wird.Method for producing a component in which, by means of a computer-aided simulation program, in a first construction step, depending on constructive boundary conditions, including an available component space (BR) and at least one load case and component storage conditions, an ideal load path (L) through the component Building space (BR) is determined, based on which a first component model (M 1 ) is completely generated from solid material, characterized in that in a second construction section, a division of the first component model (M 1 ) in at least a first component zone ( V 1 ) takes place in the load case of high force density and in at least one second component zone (V 2 ) with low force density in the load case, and that in the second design step a second component model (M 2 ) is generated, in which the first component zone (V 1 ) with high power density by a three-dimensional, truss-like framework (13) with hollow structure (16 ) is replaced, and the second component zone (V 2 ) with low power density, omitting component material by a material-free space (19) is replaced. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil auf der Grundlage des zweiten Bauteil-Modells (M2) in einem Fertigungsschritt materialeinheitlich und/oder einstückig gefertigt wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the component on the basis of the second component model (M 2 ) in a manufacturing step is made of the same material and / or in one piece. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Konstruktionsschritt an einem Kraftein- und/oder -ausleitungspunkt (5, 7) des Bauteil-Modells (M2) eine dritte Bauteilzone (V3) definiert wird, in dem ein Lager zur Anlenkung an einem Radträger oder an einem Fahrzeugaufbau einsetzbar ist, wobei die dritte Bauteilzone (V3) eine Vollmaterialzone ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the second construction step at a force input and / or -ausleitungspunkt (5, 7) of the component model (M 2 ), a third component zone (V 3 ) is defined in which a bearing can be used for articulation on a wheel carrier or on a vehicle body, wherein the third component zone (V 3 ) is a solid material zone. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Konstruktionsschritt an einer Bauteil-Außenseite des Bauteil-Modells (M2) eine vierte Bauteilzone (V4) aus Vollmaterial definiert wird, die einer Bauteil-Außenhaut (17) entspricht, so dass das zweite Bauteil-Modell (M2) eine zumindest teilweise vollflächig geschlossene Außenhautfläche aufweist, die das innere dreidimensionale fachwerkartige Stabwerk (13) überdeckt.Method according to Claim 1 . 2 or 3 , characterized in that in the second construction step on a component outside of the component model (M 2 ) a fourth component zone (V 4 ) is defined from solid material, which corresponds to a component outer skin (17), so that the second component model (M 2 ) has an outer skin surface which is closed at least partially over the entire surface and which covers the inner three-dimensional framework-like framework (13). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (15) des dreidimensionalen, fachwerkartigen Stabwerks (13) des zweiten Bauteil-Modells (M2) an kraftleitenden Knotenpunkten (K1) materialeinheitlich und/oder einstückig zusammenlaufen, und/oder dass die Stäbe (15) an kraftleitendenKnotenpunkten (K2) materialeinheitlich und/oder einstückig in die Vollmaterial-Bauteilzonen des Bauteils bzw. des zweiten Bauteil-Modells (M2) übergehen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the rods (15) of the three-dimensional, truss-like framework (13) of the second component model (M 2 ) converge materially and / or integrally at force-conducting nodes (K1), and / or the rods (15) at force-conducting nodes (K2) material uniformly and / or in one piece in the solid material component zones of the component or the second component model (M 2 ) go over. Bauteil, durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt, wobei das Bauteil zumindest eine komplett aus Vollmaterial aufgebaute Bauteilzone und ein dreidimensionales fachwerkartiges Stabwerk (13) aufweist, und wobei das Bauteil ein Fahrwerkslenker für ein zweispuriges Fahrzeug ist, der in einer Fahrzeugquerichtung (y) an zumindest einer fahrzeugäußeren Anlenkstelle (A1) ein Befestigungsauge (5) für eine Lager-Anbindung an einem, ein Fahrzeugrad (27) tragenden Radträger und an zumindest einer fahrzeuginneren Anlenkstelle (A2, A3) ein weiteres Befestigungsauge (7) für eine Lager-Anbindung an einem Fahrzeugaufbau aufweist, und wobei die Befestigungsaugen (5, 7) als Vollmaterial-Bauteilzonen ausgeführt sind, während ein Lenkerabschnitt (7, 9) zwischen den Befestigungsaugen (5, 7) als Stabwerk (13) mit einer Hohlstruktur (16) ausgeführt ist, und wobei das Stabwerk (13) außenseitig von einer geschlossenflächigen Material-Außenhaut (17) überdeckt ist.Component, produced by a method according to one of the preceding claims, wherein the component has at least one completely constructed of solid material component zone and a three-dimensional truss-like framework (13), and wherein the component is a suspension arm for a two-lane vehicle in a vehicle transverse direction (y ) at at least one vehicle-external articulation point (A1) a fastening eye (5) for a bearing connection to a, a vehicle wheel (27) carrying wheel carrier and at least one vehicle-internal articulation point (A2, A3) another mounting eye (7) for a storage Connection to a vehicle body, and wherein the fastening eyes (5, 7) are designed as solid material component zones, while a handlebar section (7, 9) between the fastening eyes (5, 7) as a framework (13) with a hollow structure (16) is, and wherein the framework (13) on the outside of a closed-surface material outer skin (17) is covered. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein inneres Stabwerk (13) aufweist, das außenseitig von einer als Bauteilzone realisierten Außenhaut (17) umhüllt ist, und dass die Hohlstruktur (16) des Stabwerkes (13) für eine Betriebsmittel-Führung nutzbar ist, bei der ein Betriebsmittel von einem Betriebsmittel-Einlass (29) zu einem Betriebsmittel-Auslass (31) geführt ist.Component after Claim 6 , characterized in that the component has an inner truss (13), which is coated on the outside by a realized as a component zone outer skin (17), and that the hollow structure (16) of the truss (13) is usable for a resource management at a resource is conducted from a resource inlet (29) to a resource outlet (31). Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Felge mit einem radial inneren Nabenkörper (25) und einem radial äußeren Felgenbett (21) ist, die über einen Speichenabschnitt (23) miteinander verbunden sind, und dass zumindest das Felgenbett (21) und der Speichenabschnitt (23) aus einem inneren Stabwerk (13) aufgebaut ist, das von einer aus Vollmaterial gebildeten, geschlossenflächigen Außenhaut (17) umhüllt ist, und dass die Hohlstruktur (16) des Stabwerkes (13) zur Luftleitung dient, bei der Luft von einem Luftventil (29) durch die Hohlstruktur (16) des Stabwerks (13) über zumindest einem im Felgenbett (21) ausgebildeten Luftauslass (31) in einen Reifen-Innenraum (33) geführt wird. Component after Claim 7 , characterized in that the component is a rim with a radially inner hub body (25) and a radially outer rim base (21), which are connected to each other via a spoke portion (23), and that at least the rim base (21) and the spoke portion (21). 23) is constructed from an inner framework (13) which is enveloped by a closed-surface outer skin (17) formed from solid material, and that the hollow structure (16) of the framework (13) serves for the air duct, in the air from an air valve ( 29) is guided through the hollow structure (16) of the framework (13) via at least one air outlet (31) formed in the rim base (21) into a tire interior (33). Bauteil nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlstruktur (16) des Stabwerkes (13) zumindest teilweise mit einem Schaummaterial (35) gefüllt ist.Component according to one of Claims 6 . 7 or 8th , characterized in that the hollow structure (16) of the framework (13) is at least partially filled with a foam material (35).
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