DE102017200299A1

DE102017200299A1 - Strukturbauteil, Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils sowie Verfahren zur Gestaltung eines Strukturbauteils

Info

Publication number: DE102017200299A1
Application number: DE102017200299.9A
Authority: DE
Inventors: Volker Robrecht; Thomas Holder
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2018-07-12
Also published as: US20180207726A1; CN108284938A

Abstract

Es wird ein Strukturbauteil (1), insbesondere für ein Luftfahrzeug, mit einer Gitterstruktur (10) beschrieben, die aus einer Vielzahl von Stabelementen (15) aufgebaut ist, wobei die Stabelemente (15) sich innerhalb der Gitterstruktur wiederholende Elementareinheiten (11; 12) mit jeweils gleicher äußerer Gestalt in Form eines Polyeders ausbilden. In einem ersten Bereich (21) der Gitterstruktur (10) ist eine erste Anzahl von Versteifungselementen (16) und in einem zweiten Bereich (22) der Gitterstruktur (10) ist eine zweite Anzahl von Versteifungselementen (16) vorgesehen ist, wobei die zweite Anzahl von Versteifungselementen (16) kleiner als die erste Anzahl von Versteifungselementen (16) ist. Ferner sind ein Verfahren zur Herstellung und ein Verfahren zur Gestaltung eines Strukturbauteils (1) beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturbauteil, insbesondere für ein Luftfahrzeug, ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils sowie ein Verfahren zur Gestaltung eines Strukturbauteils.
Strukturbauteile mit einem sogenannten Sandwichaufbau weisen üblicherweise zumindest eine äußere, sich flächig erstreckende Deckschicht und eine sich an diese anschließende Kernschicht auf. Die Kernschicht ist zumeist als Wabenstruktur aus einem Material mit geringer Dichte ausgebildet. Die Deckschicht ist üblicherweise als dünne, mechanisch widerstandsfähige Platte ausgebildet. Auf diese Weise wird bei geringem Bauteilgewicht eine relativ hohe mechanische Festigkeit oder Steifigkeit erzielt, weshalb Strukturbauteile in Sandwichbauweise in vielfältiger Weise verwendet werden, insbesondere auch im Luft- und Raumfahrzeugbau.
Die WO 2015/105859 A1 beschreibt eine Kernschicht für ein Strukturbauteil, die aus einer Vielzahl von offenen oder geschlossenen Einheitszellen mittels eines 3-D-Druckverfahrens hergestellt wird. Die WO 2015/106021 A1 beschreibt ein Herstellungsverfahren für eine solche Kernschicht, bei der jede einzelne Zelle entsprechend deren erwarteten mechanischen Belastung dimensioniert und demensprechend mit vergrößerter oder verkleinerter Wandstärke ausgebildet wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Konzept für Strukturbauteile bereitzustellen, das eine einfache und effiziente Herstellung von Strukturbauteilen mit hoher mechanischer Steifigkeit bei geringem Gewicht erlaubt.
Diese Aufgabe wird jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den auf die unabhängigen Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Strukturbauteil vorgesehen, das eine Gitterstruktur aufweist, die aus einer Vielzahl von Stabelementen in einer Dickenrichtung aufgebaut ist. Die Stabelemente bilden innerhalb der Gitterstruktur sich wiederholende Elementareinheiten mit jeweils gleicher äußerer Gestalt in Form eines Polyeders aus. Dabei ist in einem in der Dickenrichtung ausgebildeten ersten Bereich der Gitterstruktur eine erste Anzahl von Versteifungselementen und in einem sich in der Dickenrichtung an den ersten Bereichen anschließenden zweiten Bereich eine zweite Anzahl von Versteifungselementen vorgesehen, wobei die zweite Anzahl von Versteifungselementen kleiner als die erste Anzahl von Versteifungselementen ist.
Erfindungsgemäß weist das Strukturbauteil also eine Vielzahl von Stabelementen auf, die zu einer Gitterstruktur zusammengesetzt sind. Die Gitterstruktur ist insbesondere mit einer Erstreckung in einer Dickenrichtung ausgebildet. Innerhalb der Gitterstruktur wiederholen sich dabei bestimmte von mehreren Stäben begrenzte Raumstrukturen, insbesondere entlang der Dickenrichtung und gegebenenfalls auch in einer quer zu der Dickenrichtung verlaufenden Längsrichtung oder allgemein entlang einer Achse im dreidimensionalen Raum. Die sich in der Dickenrichtung wiederholenden Elementareinheiten bilden also die Querschnittsform des Strukturbauteils aus. Die gegebenenfalls sich in der Längsrichtung wiederholenden Elementareinheiten definieren eine Längserstreckung des Strukturbauteils. Die Raumstrukturen oder Elementareinheiten weisen eine Polyederform auf. Insbesondere sind die Kanten eines jeweiligen Polyeders durch die Stabelemente ausgebildet. Zwei aneinander angrenzende Elementareinheiten teilen sich demnach jeweils die eine Seitenfläche des Polyeder begrenzenden Stabelemente. Somit bilden die Elementareinheiten offene Zellen einer räumlichen Gitterstruktur aus, innerhalb welcher sich entlang einer Raumrichtung bestimmte Elementareinheiten wiederholen. In Bezug auf die äußere Gestalt der Elementareinheiten oder Elementarzellen ist die Gitterstruktur demnach als regelmäßiges Gitter aufgebaut, was den Herstellungsaufwand verringert und wodurch ein einfacher Aufbau des Strukturbauteils erzielt wird. Ein Vorteil der durch Stabelemente aufgebauten, offenzelligen Gitterstruktur liegt weiterhin in deren geringem Gewicht bei hoher mechanischer Steifigkeit.
Erfindungsgemäß sind innerhalb der Gitterstruktur außerdem Versteifungselemente vorgesehen. Insbesondere sind innerhalb der Gitterstruktur in der Dickenrichtung aneinandergrenzende, diskrete Bereiche vorgesehen, in denen jeweils eine bestimmte Anzahl von Versteifungselementen vorgesehen ist. Dabei ist in einem ersten Bereich eine größere Anzahl von Versteifungselementen vorgesehen als in einem zweiten Bereich. Die Versteifungselemente koppeln jeweils zwei Stabelemente aneinander und verringern damit die bei einer Beaufschlagung der Gitterstruktur mit einer Kraft auf ein einzelnes Stabelement wirkende Kraft. Auf diese Weise wird ein Fachwerkaufbau der Gitterstruktur realisiert. Die bereichsweise Versteifung, also die Versteifung über Bereiche, die jeweils mehrere Elementareinheiten mit gleicher Anzahl an Versteifungselementen umfassen, bietet den Vorteil, dass innerhalb des jeweiligen Bereichs jeweils gleich aufgebaute Elementareinheiten vorliegen. Dies verringert insbesondere den Fertigungsaufwand gegenüber einer individuell angepassten Versteifung einzelner Elementareinheiten. Gleichzeitig wird dennoch eine hohe mechanische Steifigkeit des Strukturbauteils erzielt. Beispielsweise können entlang der Längsrichtung nacheinander eine Vielzahl von Elementareinheiten hintereinander ausgebildet sein, die eine gleiche, erste Anzahl von Versteifungselementen aufweisen. Diese Elementareinheiten bilden einen ersten Bereich. In der Dickenrichtung kann sich ein weiterer Bereich an den ersten Bereich anschließen, in welchem entlang der Längsrichtung nacheinander eine Vielzahl von Elementareinheiten hintereinander ausgebildet sind, die eine gleiche, zweite Anzahl von Versteifungselementen aufweisen.
Die Elementareinheiten können insbesondere die äußere Gestalt konvexer Polyeder aufweisen. Ein Polyeder heißt konvex, wenn für je zwei Punkte des Polyeders die Verbindungsstrecke zwischen diesen Punkten vollständig im Inneren des Polyeders liegt.
Das erfindungsgemäße Strukturbauteil kann insbesondere als Strukturbauteil für ein Luftfahrzeug verwendet werden, beispielsweise als Bauteil zur Ausbildung einer Rumpfstruktur, als Trägerbauteil oder dergleichen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der erste Bereich der Gitterstruktur ein in Bezug auf die Dickenrichtung äußerer Bereich sein. Der erste Bereich bildet hierbei also eine Oberfläche bzw. eine Außenkontur des Strukturbauteils. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der erste Bereich den zweiten Bereich vollständig umschließt. Alternativ kann ein in der Dickenrichtung zu dem ersten Bereich gelegener dritter Bereich vorgesehen sein, wobei der zweite Bereich sich zwischen dem ersten und dem dritten Bereich erstreckt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Versteifungselemente im Innenraum der jeweiligen Elementareinheit oder in den Seitenflächen der jeweiligen Elementareinheit erstrecken. Die Stabelemente bilden die Kanten eines Polyeders und begrenzen daher die Seitenflächen desselben. Die Seitenflächen umgrenzen den Innenraum einer jeweiligen Elementareinheit. Durch die Anordnung der Versteifungselemente in den Seitenflächen oder im Innenraum einer jeweiligen Elementareinheit wird eine mechanisch günstige Versteifung realisiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Versteifungselemente insbesondere durch Stäbe ausgebildet sein, also als Elemente, deren Querschnittsdurchmesser vernachlässigbar gegenüber deren Länge ist. Stäbe weisen eine hohe mechanische Belastbarkeit bezogen auf deren Gewicht auf. Damit wird die Steifigkeit des Strukturbauteils durch relativ wenig Zusatzgewicht deutlich vergrößert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass sich jeweils zumindest zwei Versteifungselemente in einem Knotenpunkt kreuzen, in welchem die Versteifungselemente miteinander verbunden sind. Demnach werden die Versteifungselemente zusätzlich aneinander befestigt. Dies verringert die Größe eines durch die jeweiligen Versteifungselemente und eine oder mehrere Stabelemente begrenzten Feldes, wodurch die mechanische Belastung der einzelnen Elemente verringert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die Versteifungselemente zwischen den Stabelementen, insbesondere zwischen Eckpunkten der Polyeder. Demnach erstrecken sich die Versteifungselemente insbesondere diagonal über eine Seitenfläche des Polyeders oder diagonal durch den Innenraum desselben. Damit wird eine effiziente Lastverteilung innerhalb der Gitterstruktur erzielt. Weiterhin können auf diese Weise eine Vielzahl von identisch aufgebauten Versteifungselementen an sich regelmäßig wiederholenden Stellen der Gitterstruktur angebracht werden. Dadurch wird bei einem einfache konstruktiven Aufbau und die mechanische Festigkeit des Strukturbauteils vergrößert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Versteifungselemente eine Länge auf, die zumindest das 1,41 - Fache der Länge der Stabelemente beträgt. Die Versteifungselemente sind somit länger als die Stabelemente. Bei dem oben Bereich des Faktors wird eine besonders effiziente Versteifung des Strukturbauteils erreicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Strukturbauteils kann vorgesehen sein, dass innerhalb der Gitterstruktur zwei bis fünf verschiedene Bereiche mit verschiedener Anzahl von Versteifungselementen vorgesehen sind. Es können demnach mehr als zwei aneinander grenzende Bereiche innerhalb der Gitterstruktur vorgesehen sein, in denen jeweils verschiedene Anzahlen von Versteifungselementen, insbesondere je Elementareinheit, vorgesehen sind. Dies ermöglicht eine relativ genaue Anpassung der mechanischen Eigenschaften eines jeweiligen Bereichs an die zu erwartende mechanische Belastung. Gleichzeitig bietet eine Begrenzung der Anzahl der Bereiche auf fünf den Vorteil, dass eine lastoptimierte Gitterstruktur bei dennoch konstruktiv einfachem Aufbau realisiert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Elementareinheiten die äußere Gestalt eines Quaders, eines Hexaeders, eines Oktaeders, eines Oktaederstumpfs, eines Tetraeders, eines Doppeltetraeders, eines polygonalen Prismas, eines Dodekaeders, eines Ikosaeders oder eines Ikosidodekaeders aufweisen.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Kantenlänge der Elementareinheiten jeweils in einem Bereich zwischen 2 mm und 15 mm liegt. Unter der Kantenlänge kann insbesondere die Länge eines die Kante eines jeweiligen Polyeder bildenden Stabelements verstanden werden. In dem angegebenen Bereich kann die Gitterstruktur auf besonders effiziente Weise mittels eines 3-D-Druckverfahrens hergestellt werden.
Die Kantenlänge der Elementareinheiten kann insbesondere jeweils in einem Bereich zwischen 5 mm und 10 mm liegen. In diesem Bereich wird eine besonders hohe mechanische Steifigkeit der Gitterstruktur bei relativ geringem Materialaufwand für die Ausbildung der Stabelemente und damit bei geringem Gewicht erzielt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Strukturbauteils kann vorgesehen sein, dass die Stabelemente und die Versteifungselemente aus einem Kunststoffmaterial oder aus einem Metallmaterial ausgebildet sind. Als Kunststoffmaterial kann insbesondere ein Polyamid oder einem Elastomer, wie beispielsweise thermoplastisches Polyurethan, verwendet werden. Als Metallmaterial kann insbesondere Titan, Titanlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen oder dergleichen verwendet werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform können innerhalb der Gitterstruktur Leerstellen zur Aufnahme von Funktionskomponenten ausgebildet sein. Hierbei sind die Stabelemente derart angeordnet, dass innerhalb der Gitterstruktur durchgehende Hohlräume vorhanden sind. Insbesondere können diese Hohlräume oder Leerstellen als Elementarzellen ohne in deren Innenraum verlaufende Verbindungselemente ausgebildet sein. Leerstellen bieten den Vorteil, dass diese als Kanäle oder Aufnahmeraum für Funktionskomponenten, wie beispielsweise Kabel, Leitungen oder dergleichen genutzt werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils vorgesehen. Das Verfahren ist insbesondere zur Herstellung eines Strukturbauteils gemäß einer der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen geeignet. Die für das Strukturbauteil beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten somit in analoger Weise auch für das Verfahren.
Erfindungsgemäß wird mittels eines 3-D-Druckverfahrens eine Gitterstruktur in einer Dickenrichtung aus einer Vielzahl von Stabelementen derart aufgebaut, dass die Stabelemente sich innerhalb der Gitterstruktur wiederholende Elementareinheiten mit jeweils gleicher äußerer Gestalt in Form eines Polyeders ausbilden. Weiterhin erfolgt der Aufbau der Gitterstruktur derart, dass in der Dickenrichtung ein erster Bereich der Gitterstruktur mit einer ersten Anzahl von Versteifungselementen ausgebildet wird und ein sich in der Dickenrichtung an den ersten Bereichen anschließender zweiter Bereich mit einer zweiten Anzahl von Versteifungselementen ausgebildet wird, wobei die zweite Anzahl von Versteifungselementen kleiner als die erste Anzahl von Versteifungselementen ist.
Demnach werden bei dem Verfahren mittels 3-D-Druck die einzelnen Stabelemente und Versteifungselemente schichtweise zur Ausbildung der Gitterstruktur aufgebaut, insbesondere durchgehend bzw. einstückig. Aufgrund der sich innerhalb der Gitterstruktur und innerhalb des ersten bzw. zweiten Bereichs sich regelmäßig wiederholenden Elementarzellen kann der Aufbau der Gitterstruktur sehr schnell und mit geringem maschinellen Aufwand erzeugt werden. Insbesondere sind zur Steuerung einer 3-D-Druckvorrichtung, mittels derer das Verfahren durchgeführt wird, notwendigen Datenmengen relativ gering, verglichen mit Verfahren, bei denen jede einzelne Zelle einer Gitterstruktur individuell entsprechend der erwarteten mechanischen Belastung dimensioniert ist.
Bei generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren, auch allgemein als „3D-Druckverfahren“ bezeichnet, werden ausgehend von einem digitalisierten geometrischen Modell eines Objekts ein oder mehrere Ausgangsmaterialien sequentiell in Lagen übereinandergeschichtet und ausgehärtet.
3D-Druckverfahren sind insbesondere vorteilhaft, da sie die Herstellung von dreidimensionalen Komponenten in urformenden Verfahren ermöglichen, ohne spezielle, auf die äußere Form der Komponenten abgestimmte Fertigungswerkzeuge zu benötigen. Dadurch werden hocheffiziente, materialsparende und zeitsparende Herstellungsprozesse für Bauteile und Komponenten ermöglicht. Besonders vorteilhaft sind 3D-Druckverfahren im Luft- und Raumfahrtbereich, da dort sehr viele verschiedene, auf spezielle Einsatzzwecke abgestimmte Bauteile eingesetzt werden, die in solchen 3D-Druckverfahren mit geringen Kosten, geringer Fertigungsvorlaufzeit und mit geringer Komplexität in den für die Herstellung benötigten Fertigungsanlagen herstellbar sind.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das 3-D-Druckverfahren ein SLS-Verfahren oder ein SLM-Verfahren umfasst. „SLS“ steht hierbei als Abkürzung für „Selektives Lasersintern“. „SLM“ steht als Abkürzung für „Selektives Laserschmelzen“, abgeleitet vom englischen Ausdruck „Selective Laser Melting“.
Beim SLS-Verfahren und beim SLM-Verfahren wird ein Bauteil schichtweise aus einem Modelliermaterial, beispielsweise ein Kunststoff (SLS-Verfahren) oder ein Metall (SLM-Verfahren), aufgebaut, indem das Modelliermaterial in Pulverform auf eine Unterlage aufgebracht wird und gezielt durch lokale Laserbestrahlung verflüssigt wird, wodurch sich nach Abkühlung ein festes, zusammenhängendes Bauteil ergibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Gestaltung eines Strukturbauteils vorgesehen. Hierbei erfolgt in einem ersten Schritt ein Ermitteln eines voraussichtlichen Lastverlaufs innerhalb des Strukturbauteils. Weitern wird zumindest ein erster, mechanisch hochbelasteter Bereich und ein zweiter, mechanisch niedrigbelasteter Bereich des Strukturbauteils identifiziert. Anschließend erfolgt ein Aufbau einer das Strukturbauteil bildenden Gitterstruktur, die eine Vielzahl von Stabelementen aufweist, wobei die Stabelemente sich innerhalb der Gitterstruktur wiederholende Elementareinheiten mit jeweils gleicher äußerer Gestalt in Form eines Polyeders ausbilden. Die Gitterstruktur wird in dem ermittelten ersten Bereich mit einer ersten Anzahl von Versteifungselementen und in dem ermittelten zweiten Bereich mit einer zweiten Anzahl von Versteifungselementen aufgebaut, wobei die zweite Anzahl von Versteifungselementen kleiner als die erste Anzahl von Versteifungselementen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gestaltung eines Strukturbauteils kann insbesondere mithilfe einer Rechenvorrichtung, z.B. in Form eines PCs, durchgeführt werden, die eine Prozessoreinheit und eine Speichereinheit aufweist, welche mittels der Prozessoreinheit auslesbar ist und zur Speicherung von Daten geeignet ist.
Der voraussichtliche Lastverlauf innerhalb des Strukturbauteils kann beispielsweise mittels einer Finite-Elemente-Methode aufgrund von mechanischen Randbedingungen, insbesondere in Form von Richtung, Angriffspunkt und Größe von Kräften auf das Strukturbauteil, ermittelt werden. Demnach wird also eine mögliches Belastungsszenario des Querschnitts des Strukturbauteils simuliert und die infolge der Belastung innerhalb des Querschnitts auftretenden Kräfte und/oder Spannungen für abgeschlossene Volumenelemente des Querschnitts berechnet.
Die Identifizierung der hochbelasteten und niedrigbelasteten Bereiche kann beispielsweise anhand einer mittels der Recheneinheit automatisch durchführbaren Vergleichvorgangs erfolgen. Beispielsweise kann ein Schwellwert für eine für ein jeweiliges Volumenelement ermittelten Spannung oder eine Kraft festgelegt sein, oberhalb derer das jeweilige Volumenelement als hochbelastet gilt. Das Identifizieren umfasst dann einen Vergleich der tatsächlich ermittelten Kraft oder Spannung für jedes Volumenelement mit dem Schwellwert. Liegt die tatsächlich ermittelte Kraft über dem Schwellwert, wird das jeweilige Volumenelement als hochbelastet identifiziert. Ist die tatsächlich ermittelte Kraft kleiner oder gleich dem Schwellwert, wird es als niedrigbelastet identifiziert.
Weiterhin erfolgt die Ausbildung bzw. Konstruktion der Gitterstruktur auf Basis der identifizierten Bereiche. Die die Gitterstruktur bildenden Stäbe werden so zusammengesetzt, dass diese sich regelmäßig wiederholende Elementareinheiten ausbilden. Hierbei werden die sich in einem als hochbelastet identifizierten Bereich vorgesehenen Elementareinheiten bevorzugt alle in gleicher Weise mit zusätzlichen Verstärkungselementen verstärkt. Die in einem als niedrigbelastet identifizierten Bereich vorgesehenen Elementareinheiten können ebenfalls mit einer kleineren Anzahl an Verstärkungselementen verstärkt werden. Dies kann ebenfalls automatisiert mittels der Recheneinheit erfolgen, beispielsweise indem die Stabelemente und die Verstärkungselemente beschreibende Positionsdaten erzeugt werden. Aufgrund der Aufteilung des Querschnitts in diskrete Bereiche und die Ausbildung einer Gitterstruktur mit sich regelmäßig wiederholenden Elementareinheiten, die jeweils in gleicher Weise verstärkt sind, können die Datenmengen klein gehalten werden. Dadurch wird die Rechengeschwindigkeit der Recheneinheit deutlich erhöht bzw. die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Rechenvorrichtung, insbesondere an die Prozessoreinheit, verringert.
Der Aufbau der Gitterstruktur umfasst insbesondere die Erstellung eines computerlesbaren Datensatzes, welcher Informationen über die geometrischen Eigenschaften der Gitterstruktur umfasst, wie die Abfolge, Länge, Dicke, Position etc. der Stabelemente und der Verstärkungselemente.
Der Aufbau der Gitterstruktur kann insbesondere ein Auswählen zumindest eines ersten Typs von Elementareinheiten und eines zweiten Typs von Elementareinheiten aus einer Auswahl von zwei bis fünf Typen von Elementareinheiten mit verschiedener Anzahl von Versteifungselementen umfassen. Demnach kann insbesondere eine innerhalb der Gitterstruktur eine bestimmte Elementareinheit ausbildende Stababfolge ausgewählt werden. Die verschiedenen Typen sind dabei mit verschiedenen Anzahlen von Versteifungselementen versteift.
3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfassen alle generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren, bei welchen auf der Basis von geometrischen Modellen Objekte vordefinierter Form aus formlosen Materialien wie Flüssigkeiten und Pulvern oder formneutralen Halbzeugen wie etwa band- oder drahtförmigem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse in einem speziellen generativen Fertigungssystem hergestellt werden. 3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung verwenden dabei additive Prozesse, bei denen das Ausgangsmaterial schichtweise in vorgegebenen Formen sequentiell aufgebaut wird.
Hierin wird unter „einstückig“, „einteilig“, „integral“ oder „in einem Stück“ ausgebildeten Komponenten allgemein verstanden, dass diese Komponenten als ein einziges, eine Materialeinheit bildendes Teil vorliegen und insbesondere als ein solches hergestellt sind, wobei die eine von der anderen Komponente nicht ohne Aufhebung des Materialzusammenhalts von der anderen lösbar ist.
In Bezug auf Richtungsangaben und Achsen, insbesondere auf Richtungsangaben und Achsen, die den Verlauf von physischen Strukturen betreffen, wird hierin unter einem Verlauf einer Achse, einer Richtung oder einer Struktur „entlang“ einer anderen Achse, Richtung oder Struktur verstanden, dass diese, insbesondere die sich in einer jeweiligen Stelle der Strukturen ergebenden Tangenten jeweils in einem Winkel von kleiner gleich 45 Grad, bevorzugt kleiner 30 Grad und insbesondere bevorzugt parallel zueinander verlaufen.
In Bezug auf Richtungsangaben und Achsen, insbesondere auf Richtungsangaben und Achsen, die den Verlauf von physischen Strukturen betreffen, wird hierin unter einem Verlauf einer Achse, einer Richtung oder einer Struktur „quer“ zu einer anderen Achse, Richtung oder Struktur verstanden, dass diese, insbesondere die sich in einer jeweiligen Stelle der Strukturen ergebenden Tangenten jeweils in einem Winkel von größer oder gleich 45 Grad, bevorzugt größer oder gleich 60 Grad und insbesondere bevorzugt senkrecht zueinander verlaufen.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht eines Strukturbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine perspektivische Ansicht einer sich innerhalb einer Gitterstruktur wiederholenden Elementareinheit eines Strukturbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine perspektivische Ansicht einer sich innerhalb einer Gitterstruktur wiederholenden Elementareinheit eines Strukturbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine perspektivische Ansicht einer Gitterstruktur eines Strukturbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine perspektivische, abgebrochene Schnittansicht eines Strukturbauteils gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ein symbolisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Strukturbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
7 ein symbolisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Gestaltung eines Strukturbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1 zeigt schematisch eine beispielhafte Gestaltung eines Strukturbauteils 1. Das Strukturbauteil 1 weist eine Gitterstruktur 10 auf, die in einer Dickenrichtung T aufgebaut ist. Wie in 1 symbolisch dargestellt ist, ist die Gitterstruktur 10 aus einer Vielzahl von Stabelementen 15 aufgebaut. Die Stabelemente 15 bilden innerhalb der Gitterstruktur 10 sich wiederholende Elementareinheiten 11, 12 aus. In 1 ist dies symbolisch durch rechteckige Kästchen dargestellt. Die Elementareinheiten weisen jeweils die gleiche äußere Gestalt in Form eines Polyeders auf. Wie in 1 beispielhaft gezeigt ist, sind insbesondere entlang der Dickenrichtung T aufeinander folgend eine Vielzahl von Elementareinheiten 11, 12 ausgebildet. 1 zeigt weiterhin, dass insbesondere auch entlang einer sich quer zur Dickenrichtung T erstreckenden Bauteillängsrichtung L aufeinander folgend eine Vielzahl von Elementareinheiten 11, 12 ausgebildet sein können. Optional können außerdem in einer quer zu der Dickenrichtung T und der Bauteillängsrichtung L verlaufenden Bauteilquerrichtung C mehrere Elementareinheiten 11, 12 ausgebildet sein. Allgemein wird also eine offenzellige, sich räumlich erstreckende Gitterstruktur 10 realisiert, die sich insbesondere mittels eines 3-D-Druckverfahrens, beispielsweise mit einem SLS Verfahren oder einem SLM Verfahren, vorteilhaft herstellen lässt. Die Gitterstruktur 10 kann insbesondere einstückig ausgebildet sein, beispielsweise kann die Gitterstruktur 10 durch einen einzigen, durchgehenden 3-D-Druckvorgang hergestellt sein.
Wie in 1 außerdem symbolisch gezeigt ist, ist in einem in der Dickenrichtung T ausgebildeten ersten Bereich 21 der Gitterstruktur 10 eine ersten Anzahl von Versteifungselementen 16 und in einem sich in der Dickenrichtung T an den ersten Bereichen 21 anschließenden zweiten Bereich 22 ist eine zweite Anzahl von Versteifungselementen 16 vorgesehen, wobei die zweite Anzahl von Versteifungselementen 16 kleiner als die erste Anzahl von Versteifungselementen 16 ist. In 1 sind in dem ersten Bereich 21 beispielhaft symbolisch vier Versteifungselemente 16 je Elementarzelle 11 dargestellt, während die Elementarzellen 12 des zweiten Bereichs 22 nicht zusätzlich versteift sind. Der erste und der zweite Bereich 21, 22 erstrecken sich weiterhin jeweils entlang einander in der Bauteillängsrichtung L und optional auch in der quer zu der Bauteillängsrichtung L verlaufenden Bauteilquerrichtung C. Wie in 1 beispielhaft gezeigt ist, sind die Stabelemente 15 derart zu der Gitterstruktur 10 zusammengesetzt, dass diese innerhalb des ersten Bereichs 21 sich entlang der Bauteillängsrichtung L wiederholende Elementareinheiten 11 ausbilden. Weiterhin sind die Stabelemente 15 derart zu der Gitterstruktur 10 zusammengesetzt, dass diese innerhalb des zweiten Bereichs 22 sich entlang der Bauteillängsrichtung L und sich in der Dickenrichtung T wiederholende Elementareinheiten 12 ausbilden. Die Gitterstruktur 10 weist somit mehrere Elementareinheiten 11, 12 umfassende diskrete Bereiche 21, 22 auf, wobei die Elementareinheiten 11, 12 jeweils mit gleicher Anzahl von Verstärkungselementen 16 verstärkt sind, und wobei sich innerhalb des jeweiligen Bereichs 21, 22 bevorzugt auch die Anordnung der Verstärkungselemente 16 in regelmäßiger Weise wiederholt.
Wie in 1 erkennbar, wird auf mesoskopischer Ebene eine bereichsweise regelmäßige Gitterstruktur 10 realisiert. Dies ist insbesondere für deren Herstellbarkeit mit einem 3-D-Druckverfahren besonders günstig, da somit die zur Steuerung des Herstellungsverfahrens notwendigen Datenmengen klein gehalten werden. Damit kann die beschriebene Gitterstruktur 10 besonders schnell und effizient hergestellt werden. Weiterhin bewirkt die bereichsweise unterschiedliche Verstärkung eine an die Gewichtsersparnis, da die Anzahl der Verstärkungselemente 16 in mechanisch niedrig beanspruchten Bereichen, beispielsweise im zweiten Bereich 22, klein gehalten werden kann.
Auf beispielhafte konstruktive Gestaltungen der Stabelemente 15 bzw. deren Anordnung zu Polyedern in der Gitterstruktur 10 sowie auf mögliche konstruktive Gestaltungen der Verstärkungselemente 16 wird im Folgenden noch im Detail eingegangen.
In 1 ist beispielhaft ein Strukturbauteil gezeigt, das den ersten Bereich 21, den zweiten Bereich 22 und zusätzlich einen dritten Bereich 23 aufweist. Der dritte Bereich 23 ist hierbei identisch zu dem ersten Bereich 21 aufgebaut, insbesondere in gleicher Weise mit Verstärkungselementen 16 verstärkt. Der dritte Bereich 23 ist in der Dickenrichtung T beabstandet zu dem ersten Bereich 21 angeordnet. Der zweite Bereich 22 erstreckt sich zwischen dem ersten und dem dritten Bereich 21, 23. Somit weist das in 1 beispielhaft gezeigte Strukturbauteil 1 eine Sandwichstruktur mit einem Kern in Form des zweiten Bereichs und mit gegenüber dem Kern versteiften Außenbereichen in Form des ersten und des dritten Bereichs 21, 23 auf. Generell können zwei bis fünf verschiedene Bereiche 21, 22, 23 mit verschiedener Anzahl von Versteifungselementen 16 vorgesehen sein.
Das Strukturbauteil 1 kann insbesondere als ein sich flächig erstreckendes, insbesondere platten- oder schalenförmiges Bauteil ausgebildet sein, wie beispielhaft in 5 gezeigt. Weiterhin kann das Strukturbauteil 1 auch als ein längliches, träger- oder balkenförmiges Bauteil ausgebildet sein (nicht gezeigt), z.B. als T-Träger, H-Träger, U-Träger oder als Träger mit polygonischem Querschnitt. Die Stabelemente 15 sind allgemein derart angeordnet, dass diese sich innerhalb der Gitterstruktur wiederholende Elementareinheiten 11, 12 mit jeweils gleicher äußerer Gestalt in Form eines Polyeders ausbilden. Auf diese Weise definiert die Anordnung der Stabelemente 15 die Querschnittsform bzw. die räumliche Erstreckung des Strukturbauteils 1.
4 zeigt beispielhaft einen Teil einer Gitterstruktur 10. Die Gitterstruktur 10 ist aus einer Vielzahl von Stabelementen 15 derart zusammengesetzt, dass diese sich innerhalb der Gitterstruktur 10 regelmäßig wiederholende Elementareinheiten 11, 12 ausbilden. Die 2 und 3 zeigen jeweils beispielhaft Elementareinheiten 11, 12 mit der äußeren Gestalt eines Polyeders in Form eines Quaders. Die Stabelemente 15 bilden die Kanten 15A des Quaders. In dem in den 2 und 3 beispielhaft gezeigten quaderförmigen Elementareinheiten 11, 12 begrenzen jeweils vier Stabelemente 15 eine Seitenfläche 14 des Quaders. Die Seitenflächen 14 umgrenzen weiterhin einen Innenraum 13 des Quaders. Jeweils zumindest drei Stabelemente 15, im Fall der in den 2 und 3 beispielhaft gezeigten Quader genau drei Stabelemente 15 bilden weiterhin jeweils eine Ecke 17 der Elementareinheit 11, 12. Selbstverständlich können die Elementareinheiten 11, 12 auch eine andere äußere Gestalt aufweisen, beispielsweise die eines Hexaeders, eines Oktaeders, eines Oktaederstumpfs, eines Tetraeders, eines Doppeltetraeders, eines polygonalen Prismas, eines Dodekaeders, eines Ikosaeders oder eines Ikosidodekaeders.
Wie in den 2 und 3 weiterhin gezeigt ist, kann an den Ecken 17 jeweils eine Materialanhäufung 17A vorgesehen sein, beispielsweise mit kugelförmiger äußerer Gestalt, wie beispielhaft in den 2 und 3 dargestellt. Dadurch wird eine mechanisch stabile Verbindung der Stabelemente 15 untereinander erzielt. Weiterhin werden auf diese Weise Spannungsspitzen im Bereich der Verbindungsstellen von mehreren Stabelementen 15 vermieden und somit eine äußerst stabile und haltbare Gitterstruktur 10 realisiert.
Die Stabelemente 15 sind als längliche Bauteile mit einer Länge l15 ausgeführt. Die Länge l15 kann insbesondere in einem Bereich zwischen 2 mm und 15 mm, bevorzugt in einem Bereich zwischen 5 mm und 10 mm liegen. In den 2 und 3 sind die Stabelemente 15 jeweils beispielhaft mit einem kreisförmigen Querschnitt dargestellt. Dies bietet den Vorteil, dass ein solcher Querschnitt auf einfache Weise, beispielsweise mittels eines 3-D-Druckverfahrens, herstellbar ist. Weiterhin weisen Stabelemente 15 mit kreisförmigem Querschnitt eine hohe Torsions- und Biegesteifigkeit auf.
Wie in den 2 bis 4 erkennbar, sind innerhalb der Gitterstruktur 10 zusätzlich zu den Stabelementen 15 Versteifungselemente 16 vorgesehen. Wie in 4 gezeigt ist, sind in verschiedenen Bereichen der Gitterstruktur 10 verschiedene Anzahlen von Verstärkungselementen 16, insbesondere je Elementareinheit 11, 12 vorgesehen.
2 zeigt beispielhaft einen ersten Typ Elementareinheit 11 mit insgesamt acht Versteifungselementen 16. 3 zeigt beispielhaft einen zweiten Typ Elementareinheit 12 mit insgesamt vier Versteifungselementen 16. Die Versteifungselemente 16 erstrecken sich jeweils im Innenraum 13 der jeweiligen Elementareinheit 11, 12 oder in einer Seitenfläche 14 der jeweiligen Elementareinheit 11, 12. Allgemein verbindet ein Versteifungselement 16 zumindest zwei Stabelemente 15.
Wie in den 2 und 3 beispielhaft gezeigt, kann insbesondere vorgesehen sein, dass sich die ein Versteifungselemente 16 jeweils zwischen Eckpunkten 17 des Polyeders erstrecken. Bei der in 2 gezeigten Elementareinheit 11 erstrecken sich in zwei Seitenflächen 14 jeweils zwei Versteifungselemente 16 zwischen zwei einander diagonal gegenüberliegenden Ecken 17. Die Seitenflächen 16, in denen sich die Versteifungselemente 16 erstrecken, erstrecken sich gemäß der beispielhaften Darstellung der 2 von einer gemeinsamen Kante 15A aus. Weiterhin sind in der in 2 gezeigten Elementareinheit 11 vier sich im Innenraum 13 des Polyeders erstreckende Verstärkungselemente 16 vorgesehen, die sich jeweils zwischen einander diagonal gegenüberliegenden Ecken 17 erstrecken. Die in 3 beispielhaft gezeigte Elementareinheit 12 unterscheidet sich von der in 2 gezeigten Elementareinheit 11 lediglich dadurch, dass die in 3 beispielhaft gezeigte Elementareinheit 12 keine in den Seitenflächen 14 verlaufende Versteifungselemente 16 aufweist.
Das Strukturbauteil 1, beispielsweise das in 1 schematisch dargestellte Strukturbauteil 1, kann folglich beispielsweise mit einer Gitterstruktur 10 realisiert werden, bei denen die Stabelemente 15 derart angeordnet werden, dass diese im ersten Bereich 21 die in 2 dargestellten Elementareinheiten 11 ausbilden und im zweiten Bereich 22 die in 3 dargestellten Elementareinheiten 12 ausbilden. In dem optionalen dritten Bereich 23 kann die Gitterstruktur 10 beispielsweise ebenfalls aus den Stabelementen 15 derart zusammengesetzt sein, dass die in 2 dargestellten Elementareinheiten 11 ausgebildet werden. Damit wird eine sehr einfache, insbesondere bereichsweise regelmäßige, und mechanisch robuste Gitterstruktur 10 realisiert. Diese kann beispielsweise in besonders effizienter Weise durch ein 3-D-Druckverfahren in der Dickenrichtung T aufgebaut werden.
Wie in den 2 bis 4 gezeigt, können die Versteifungselemente 16 insbesondere als Stäbe, als längliche Bauteile mit einer Länge l16 ausgebildet sein. Die Länge l16 kann insbesondere zumindest das 1,41 - Fache der Länge l15 der Stabelemente 15 betragen. In den 2 und 3 sind die Versteifungselemente 16 jeweils beispielhaft mit einem kreisförmigen Querschnitt dargestellt. Dies bietet den Vorteil, dass ein solcher Querschnitt auf einfache Weise, beispielsweise mittels eines 3-D-Druckverfahrens, herstellbar ist. Weiterhin weisen Versteifungselemente 16 mit kreisförmigem Querschnitt eine hohe Torsions- und Biegesteifigkeit auf.
Wie in den 2 und 3 beispielhaft gezeigt ist, kreuzen sich alle in dem Innenraum 13 erstreckenden Verstärkungselemente 16 in einem Knotenpunkt 16A und sind dort miteinander verbunden, insbesondere aneinander befestigt. Bei der in 2 gezeigten Elementarzelle 11 kreuzen sich die zwei sich in der jeweiligen Seitenfläche 14 erstreckenden Versteifungselemente 12 ebenfalls jeweils in einem Knotenpunkt 16A und sind dort miteinander verbunden, insbesondere aneinander befestigt. Dadurch wird eine sehr hohe Verwindungssteifigkeit der Elementarzelle 11, 12 erzielt.
Unter der Verwindungssteifigkeit einer Elementareinheit 11, 12 kann insbesondere ein als Kraft oder als Moment gemessener Widerstand einer jeweiligen Elementarzelle 11, 12 gegen elastische Verformung verstanden werden, wenn die Elementarzelle 11, 12 als aus der Gitterstruktur gelöste Einheit, beispielsweise wie eine in den 2 und 3 gezeigt Einheit, mit einer Kraft oder einem Moment beaufschlagt wird, beispielsweise mit in entgegengesetzter Richtung gerichteter Kräfte, die jeweils entlang einander gegenüberliegenden Seitenflächen wirken und die notwendig sind um einen bestimmten Verformungsbetrag zu erreichen. Die Verwindungssteifigkeit kann insbesondere als der Mittelwert aus für sämtliche einander gegenüberliegende Seitenflächenpaare ermittelte Wert verstanden werden. Für den Vergleich der Verwindungssteifigkeit verschiedener Elementarzellen 11, 12 sind Elementarzellen zu betrachten, die aus Stabelementen 15 und Versteifungselementen 16 mit gleichen Werkstoffen zusammengesetzt sind.
In 2 ist eine Kantenlänge I der Elementareinheit 11 eingezeichnet. Als Kantenlänge I kann insbesondere die Länge l15 eines jeweiligen Stabelements 15 verstanden werden. Die Kantenlänge I liegt insbesondere in einem Bereich zwischen 2 mm und 15 mm.
Die Stabelemente 15 und die Versteifungselemente 16 können insbesondere aus einem Kunststoffmaterial oder aus einem Metallmaterial ausgebildet sein.
5 zeigt beispielhaft eine mögliche Anwendung des Strukturbauteils 1 als ein Rumpfbauteil 100 eines Luftfahrzeugs (nicht gezeigt). Das Strukturbauteil weist hierbei eine flächige Erstreckung auf und ist schalenförmig, insbesondere kreissegmentförmig gekrümmt. Weiterhin sind zusätzliche eine optionale erste Deckschicht 101 und eine optionale zweite Deckschicht 102 vorgesehen, wobei die Gitterstruktur 10 in Bezug auf die Dickenrichtung T zwischen der ersten und der zweiten Deckschicht 101, 102 angeordnet ist. Die erste Deckschicht 101 kann beispielsweise ein Außenhaut des Luftfahrzeugs bilden. Die zweite Deckschicht 102 kann beispielsweise durch eine luftdichte Membran gebildet sein.
Wie in 5 außerdem gezeigt ist, können innerhalb der Gitterstruktur 10 Leerstellen 25 zur Aufnahme von Funktionskomponenten F ausgebildet sein. Die Leerstellen 25 können beispielsweise als Elementarzellen 11, 12 ohne in deren Innenraum verlaufende Verbindungselemente 16 ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können innerhalb der Gitterstruktur 10 über einen diskreten Bereich, der sich in Dickenrichtung T sowie zusätzlich in der Bauteillängsrichtung L und/oder der Bauteilquerrichtung C erstreckt, Stabelemente 15 und/oder Verbindungselemente 16 weggelassen sein. Die Funktionskomponenten F können beispielsweise Kabel oder Leitungen sein, wie dies in 5 schematisch angedeutet ist.
6 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens M1 zur Herstellung eines Strukturbauteils 1. Das Verfahren M1 wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele des Strukturbauteils 1 näher erläutert.
Bei dem Verfahren wird die Gitterstruktur 10 des Strukturbauteils in der Dickenrichtung T aus einer Vielzahl von Stabelementen 15 mittels eines 3-D-Druckverfahrens aufgebaut M1-1. Dies umfasst insbesondere die schichtweise Ausbildung der einzelnen Stabelemente 15 und der Verstärkungselemente 16 mit deren jeweiliger Erstreckung aus einem Rohmaterial. Die Gitterstruktur 10 kann insbesondere einstückig durch einen einzigen, durchgehenden 3-D-Druckvorgang hergestellt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass entlang der Dickenrichtung T kontinuierlich nacheinander die den ersten Bereich 21 bildenden Stabelemente 15 und die zugehörigen Verstärkungsstäbe 16 der Gitterstruktur 10 aufgebaut werden und die den zweiten Bereich 22 bildenden Stabelemente 15 und die zugehörigen Verstärkungsstäbe 16 der Gitterstruktur 10 aufgebaut werden.
Das 3-D-Druckverfahren kann insbesondere ein Selektives Lasersinter, SLS, Verfahren oder ein Selektives Laserschmelz, SLM, Verfahren umfassen. Beim SLS-Verfahren und beim SLM-Verfahren wird ein Bauteil schichtweise aus einem Modelliermaterial, beispielsweise ein Kunststoff (SLS-Verfahren) oder ein Metall (SLM-Verfahren), aufgebaut, indem das Modelliermaterial in Pulverform auf eine Unterlage aufgebracht wird und gezielt durch lokale Laserbestrahlung verflüssigt wird, wodurch sich nach Abkühlung ein festes, zusammenhängendes Bauteil ergibt. Ein besonderer Vorteil dieser Verfahren in Bezug auf die aufzubauende Gitterstruktur liegt darin, dass das pulverförmige Material während des Aufbaus der Stabelemente 15 bzw. der Versteifungselemente 16 als Stützmaterial zur Abstützung der Stabelemente 15 bzw. der Versteifungselemente 16 dient. Die Gitterstruktur 10 kann damit mit hoher Genauigkeit hergestellt werden.
7 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens M2 zur Gestaltung eines Strukturbauteils 1. Dieses Verfahren M2 wird im Folgenden ebenfalls beispielhaft unter Bezugnahme auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele des Strukturbauteils 1 näher erläutert.
Das Verfahren M2 zur Gestaltung eines Strukturbauteils kann insbesondere mithilfe einer Rechenvorrichtung (nicht gezeigt), z.B. in Form eines PCs, durchgeführt werden, die eine Prozessoreinheit und eine Speichereinheit aufweist, welche mittels der Prozessoreinheit auslesbar ist und zur Speicherung von Daten geeignet ist.
In einem ersten Verfahrensschritt M2-1 erfolgt zunächst ein Ermitteln eines voraussichtlichen Lastverlaufs innerhalb des Strukturbauteils 1. Der voraussichtliche Lastverlauf innerhalb des Strukturbauteils kann beispielsweise mittels einer Finite-Elemente-Methode aufgrund von mechanischen Randbedingungen, insbesondere in Form von Richtung, Angriffspunkt und Größe von Kräften auf das Strukturbauteil 1, ermittelt werden. Es wird eine mögliches Belastungsszenario des Querschnitts des Strukturbauteils 1 simuliert und die infolge der Belastung innerhalb des Querschnitts auftretenden Kräfte und/oder Spannungen für abgeschlossene Volumenelemente des Querschnitts berechnet.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein Identifizieren M2-2 zumindest eines ersten, mechanisch hochbelasteten Bereichs 21 und eines zweiten, mechanisch niedrigbelasteten Bereichs 22 des Strukturbauteils 1. Dies kann insbesondere einen Vergleich der tatsächlich ermittelten Kraft oder Spannung für jedes Volumenelement mit einem vorbestimmten Schwellwert umfassen. Liegt die tatsächlich ermittelte Kraft über dem Schwellwert, wird das jeweilige Volumenelement als hochbelastet identifiziert. Ist die tatsächlich ermittelte Kraft kleiner oder gleich dem Schwellwert, wird es als niedrigbelastet identifiziert.
In einem weiteren Schritt erfolgt ein Aufbau M2-3 der das Strukturbauteil bildenden Gitterstruktur 10. Dies umfasst insbesondere die Erzeugung eines Datensatzes, der die Position und die Erstreckung der Stabelemente 15 und der Verstärkungselemente 15 beschreibt.
Der Schritt des Aufbaus M2-2 der Gitterstruktur kann weiterhin ein Auswählen M2-4 zumindest eines ersten Typs von Elementareinheiten 11 und eines zweiten Typs von Elementareinheiten 11 aus einer Auswahl von zwei bis fünf Typen von Elementareinheiten 11, 12 mit verschiedener Anzahl von Versteifungselementen 16 umfassen. Beispielsweise können zusätzlich zu den in den 2 und 3 gezeigten Typen von Elementareinheiten 11, 12 noch weitere, mit mehr oder weniger Versteifungselementen 16 ausgestattete Elementareinheiten vorgesehen sein, die sich innerhalb der Gitterstruktur 10 mittels den Stabelementen 15 und den Verstärkungselementen 16 in sich wiederholender Weise ausbilden lassen. Die Auswahl M2-4 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Verwindungssteifigkeit der jeweiligen Elementareinheit mit der für eine Volumeneinheit des Querschnitts ermittelten Belastung verglichen wird. Es kann dann insbesondere diejenige Elementareinheit ausgewählt werden, deren Verwindungssteifigkeit die geringste Differenz zu der für die jeweilige Volumeneinheit des Querschnitts ermittelten Kraft aufweist.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.
Bezugszeichenliste

1: Strukturbauteil
10: Gitterstruktur
11: Elementareinheiten
12: Elementareinheiten
13: Innenraum des Polyeders
14: Seitenfläche des Polyeders
15: Stabelemente
15A: Kanten des Polyeders
16: Versteifungselemente
16A: Knotenpunkt
17: Eckpunkte der Polyeder
21: erster Bereich
22: zweiter Bereich
23: dritter Bereich
25: Leerstelle
100: Rumpfbauteil
101: erste Deckschicht
102: zweite Deckschicht
C: Bauteilquerrichtung
F: Funktionskomponente
L: Bauteillängsrichtung
I: Kantenlänge der Elementareinheiten
l15: Länge eines jeweiligen Stabelements
l16: Länge eines jeweiligen Versteifungselements
M1: Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils
M1-1: Verfahrensschritt
M2: Verfahren zur Gestaltung eines Strukturbauteils
M2-1: Verfahrensschritt
M2-2: Verfahrensschritt
M2-3: Verfahrensschritt
M2-4: Verfahrensschritt
T: Dickenrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/105859 A1 [0003]
WO 2015/106021 A1 [0003]

Claims

Strukturbauteil (1), insbesondere für ein Luftfahrzeug, mit einer Gitterstruktur (10), die aus einer Vielzahl von Stabelementen (15) in einer Dickenrichtung (T) aufgebaut ist, wobei die Stabelemente (15) sich innerhalb der Gitterstruktur wiederholende Elementareinheiten (11; 12) mit jeweils gleicher äußerer Gestalt in Form eines Polyeders ausbilden; und wobei in einem in der Dickenrichtung (T) ausgebildeten ersten Bereich (21) der Gitterstruktur (10) eine ersten Anzahl von Versteifungselementen (16) und in einem sich in der Dickenrichtung (T) an den ersten Bereichen (21) anschließenden zweiten Bereich (22) eine zweite Anzahl von Versteifungselementen (16) vorgesehen ist, wobei die zweite Anzahl von Versteifungselementen (16) kleiner als die erste Anzahl von Versteifungselementen (16) ist.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1, wobei sich die Versteifungselemente (16) im Innenraum (13) der jeweiligen Elementareinheit (11; 12) oder in den Seitenflächen (14) der jeweiligen Elementareinheit (11; 12) erstrecken.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Versteifungselemente (16) durch Stäbe ausgebildet sind
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 3, wobei sich jeweils zumindest zwei Versteifungselemente (16) in einem Knotenpunkt (16A) kreuzen, in welchem die Versteifungselemente (16) miteinander verbunden sind.
Strukturbauteil (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Versteifungselemente (16) sich zwischen den Stabelementen (15), insbesondere zwischen Eckpunkten (17) der Polyeder, erstrecken.
Strukturbauteil (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Versteifungselemente (16) eine Länge (l16) aufweisen, die zumindest das 1,41 - Fache der Länge (l15) der Stabelemente (15) beträgt.
Strukturbauteil (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Gitterstruktur (10) zwei bis fünf verschiedene Bereiche (21; 22) mit verschiedener Anzahl von Versteifungselementen (16) vorgesehen sind.
Strukturbauteil (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Elementareinheiten (11; 12) die äußere Gestalt eines Quaders, eines Hexaeders, eines Oktaeders, eines Oktaederstumpfs, eines Tetraeders, eines Doppeltetraeders, eines polygonalen Prismas, eines Dodekaeders, eines Ikosaeders oder eines Ikosidodekaeders aufweisen.
Strukturbauteil (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Kantenlänge (l) der Elementareinheiten (11; 12) jeweils in einem Bereich zwischen 2 mm und 15 mm liegt.
Strukturbauteil (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Stabelemente (15) und die Versteifungselemente (16) aus einem Kunststoffmaterial oder aus einem Metallmaterial ausgebildet sind.
Strukturbauteil (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Gitterstruktur (10) Leerstellen (25) zur Aufnahme von Funktionskomponenten (F) ausgebildet sind.
Verfahren (M1) zur Herstellung eines Strukturbauteils (1) mit folgendem Verfahrensschritt: Mittels eines 3-D-Druckverfahrens Aufbauen (M1-1) einer Gitterstruktur (10) in einer Dickenrichtung (T) aus einer Vielzahl von Stabelementen (15) derart, dass die Stabelemente (15) sich innerhalb der Gitterstruktur wiederholende Elementareinheiten (11; 12) mit jeweils gleicher äußerer Gestalt in Form eines Polyeders ausbilden, und derart, dass in der Dickenrichtung (T) ein erster Bereich (21) der Gitterstruktur (10) mit einer ersten Anzahl von Versteifungselementen (16) ausgebildet wird und ein sich in der Dickenrichtung (T) an den ersten Bereichen (21) anschließender zweiter Bereich (22) mit einer zweiten Anzahl von Versteifungselementen (16) ausgebildet wird, wobei die zweite Anzahl von Versteifungselementen (16) kleiner als die erste Anzahl von Versteifungselementen (16) ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das 3-D-Druckverfahren ein Selektives Lasersinter, SLS, Verfahren oder ein Selektives Laserschmelz, SLM, Verfahren umfasst
Verfahren (M2) zur Gestaltung eines Strukturbauteils (1), aufweisend die folgenden Schritte: Ermitteln (M2-1) eines voraussichtlichen Lastverlaufs innerhalb des Strukturbauteils (1); Identifizieren (M2-2) zumindest eines ersten, mechanisch hochbelasteten Bereichs (21) und eines zweiten, mechanisch niedrigbelasteten Bereichs (22) des Strukturbauteils (1); Aufbau (M2-3) einer das Strukturbauteil bildenden Gitterstruktur (10), die eine Vielzahl von Stabelementen (15) aufweist, wobei die Stabelemente (15) sich innerhalb der Gitterstruktur wiederholende Elementareinheiten (11; 12) mit jeweils gleicher äußerer Gestalt in Form eines Polyeders ausbilden, und wobei die Gitterstruktur (10) in dem ermittelten ersten Bereich (21) mit einer ersten Anzahl von Versteifungselementen (16) und in dem ermittelten zweiten Bereich (22) mit einer zweiten Anzahl von Versteifungselementen (16) aufgebaut wird, wobei die zweite Anzahl von Versteifungselementen (16) kleiner als die erste Anzahl von Versteifungselementen (16) ist.
Verfahren (M2) nach Anspruch 14, wobei der Aufbau (M2-2) der Gitterstruktur ein Auswählen (M2-4) zumindest eines ersten Typs von Elementareinheiten (11) und eines zweiten Typs von Elementareinheiten (11) aus einer Auswahl von zwei bis fünf Typen von Elementareinheiten (11; 12) mit verschiedener Anzahl von Versteifungselementen (16) umfasst.