DE102017002581B3 - Method for producing a component - Google Patents
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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
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 und3 jeweils Schnittansichten entlang der Schnittebenen A-A und B-B aus der1 ; -
4 bis6 jeweils Ansichten entsprechend der2 , die die Konstruktionsschritte zur Herstellung des in den1 und2 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.
-
1 a suspension link manufactured in the method according to the invention; -
2 and3 each sectional view along the cutting planes AA and BB from the1 ; -
4 to6 each views according to the2 that describe the design steps for making the in the1 and2 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
In der
Das Stabwerk
Der in den
Anschließend erfolgt in einem zweiten Konstruktionsschritt (
Im zweiten Konstruktionsschritt wird in der
Alternativ zur
Nachfolgend ist anhand der
Im Unterschied zum Nabenkörper
In der
Alternativ dazu kann das Bauteil auch eine zum Beispiel eine innenbelüftete Bremsscheibe sein, in der die Hohlstruktur
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