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Die Erfindung betrifft ein Bauteil, welches mit einem Generativen Fertigungsverfahren hergestellt ist.
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Das Selektive Laser-Schmelzen (SLM) ist ein generatives Schichtbauverfahren, wobei räumliche Strukturen durch Schmelzen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials (Metallpulver) mit einem Laser hergestellt werden können. Dabei wird die zu bildende Struktur Schicht für Schicht aufgebaut, wobei durch die Wirkung der Laserstrahlen beliebige dreidimensionale Geometrien, welche auch Hinterschneidungen aufweisen können, gebildet werden. Darüber hinaus besteht durch das schichtweise Vorgehen die Möglichkeit zur Integration von beweglichen Strukturen in Bauteilen. So ist beispielsweise aus
DE 10 2004 032 093 B4 ein durch einen Laserschmelzvorgang hergestelltes Bauteil bekannt, welches mit einem in einem Innenbereich des Bauteils durchsetzenden Strömungskanal gebildet ist, wobei im Bereich des Strömungskanals mindestens ein Turbulenzelement angeordnet ist, das aus einem beweglich mit dem Bauteil verbundenen oder im Strömungskanal räumlich begrenzt beweglichen Körper besteht. Dabei kann das Turbulenzelement gegenüber dem umgebenden Bauteilbereich mit einer höheren Dichte hergestellt sein.
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Feste Strukturen werden beim SLM durch lokales Aufschmelzen und anschließendes Erstarren der Pulverpartikel gebildet, wobei die Materialdichte vom Ausgangsmaterial, dem Leistungseintrag des Laserlichts und der Applikationszeit des Laserlichts abhängig ist. Fertigungskonzepte von Bauteilen mit größerem zu generierenden Volumen und höherer Materialdichte führen zu vergleichsweise hohen Prozesszeiten, die im Bereich von Stunden und bei großen Bauteilen mit hohen Genauigkeitsanforderungen auch im Bereich von Tagen liegen können. Aufgrund des hohen maschinellen Aufwandes und der hohen Prozesszeiten werden Laserschmelz-Verfahren bislang vorwiegend zum Fertigen von Prototypen und kleinen Stückzahlen eingesetzt. Gefordert wird eine Bauteilkonzeption, die eine Serienfertigung komplexer beweglicher Bauteile mittels eines Selektiven Laserschmelz-Verfahrensermöglicht.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein für ein generatives Fertigungsverfahren konzipiertes Bauteil mit beweglichen Komponenten vorzuschlagen, das gegenüber Gießverfahren, Pressverfahren oder einer Einzelteilmontage mit einem generativen Fertigungsverfahren geringem Zeitaufwand hergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsvarianten sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird ein Bauteil, hergestellt mit einem generativen Fertigungsverfahren welches mindestens zwei Bauteilelemente und eine durch das gemeinsames Herstellen der Bauteilelemente gebildete Kopplung aufweist, durch die die Bauteilelemente um mindestens eine Drehachse bewegbar miteinander verbunden sind. Dabei ist die Kopplung entweder durch Ineinandergreifen der Bauteilelemente oder mit einem mitgebautenKopplungsbolzen gebildet, wobei der Kopplungsbolzen in mindestens einer gemeinsamen Durchbrechung der mindestens zwei Bauteilelemente angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Kopplung mit einem mitgebauten Kopplungselement gebildet, an dem die mindestens zwei Bauteilelemente jeweils mit einem mitgebauten Kopplungsbolzen oder durch Ineinandergreifen bewegbar gekoppelt sind.
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Als generative Fertigungverfahren sind zu verstehen: Pulverbett-basierte Verfahren, Selektives Laser-Sintern (SLS), Selektives Laser-Schmelzen (SLM), Direktes Metall Laser-Sintern (DMLS) und Metal-Binder-Jetting (MBJ). Demzufolge kann das erfindungsgemäße Bauteil mit einem SLS-Verfahren, einem SLM-verfahren, einem DMLS-Verfahren oder einem MBJ-Verfahren hergestellt sein.
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Unter dem Begriff „mitgebaut“ ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass eine Komponente des Bauteils oder der Bauteilelemente während des generativen Fertigungsverfahrens gebildet wird, so dass nach Abschluss des Fertigungsverfahrens ein einsatzfähiges Bauteil bereitgestellt ist.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Bauteils besteht darin, dass die die Bauteilelemente bewegbar verbindende Kopplung durch gleichzeitiges und gemeinsames Herstellen der Bauteilelemente in einem Bauprozess gebildet ist, so dass eine nachträgliche Verbindung der Bauteilelemente und der Einsatz von zusätzlichen Verbindungskomponenten entfällt. Demzufolge ist das erfindungsgemäße Bauteil nach dem Entfernen von losem Material vollständig einsatzfähig, ohne dass nachträglich weitere Material abtragende, umformende oder montierende Fertigungsschritte erforderlich sind. Der Fertigungsprozess des erfindungsgemäßen Bauteils beschränkt sich somit auf den generativen Fertigungsschritt, wie beispielsweise dem SLM-Prozess, wodurch Zwischenlagerungen und Werkzeuge für nachfolgende Fertigungsprozesse entfallen.
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Gemäß einer einfachen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Bauteils ist die Kopplung durch Ineinandergreifen der Bauteilelemente gebildet. Möglich ist beispielsweise eine als Kugelgelenk ausgebildete Kopplung zwischen den Bauteilelementen, wobei ein Bauteilelement eine gemäß dem generativen Herstellungsverfahren gebildete Kugel aufweist, die in eine gemäß dem generativen Herstellungsverfahren gebildete Pfanne eines weiteren Bauteilelements eingefasst ist.
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Gemäß der weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Bauteils ist die die mindestens zwei Bauteilelemente beweglich verbindende Kopplung mit einem Kopplungsbolzen gebildet, der in mindestens einer gemeinsamen Durchbrechung der mindestens zwei Bauteilelemente angeordnet ist, so dass ein Schwenken der mindestens zwei Bauteilelemente um die Kopplungsbolzenachse gewährleistet ist. Die Kopplung zwischen den Bauteilelementen ist unmittelbar durch SLM herstellbar, ohne dass ein nachträgliches Verbinden, zusätzliche Verbindungskomponenten oder sonstige Montagen erforderlich sind.
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Weiterhin ist eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Bauteils vorgesehen, bei der die Kopplung mit einem Kopplungselement gebildet ist, an dem die mindestens zwei Bauteilelemente jeweils mit einem Kopplungsbolzen oder durch Ineinandergreifen bewegbar gekoppelt sind. Bei dem Kopplungselement handelt es sich um einen zusätzlichen gemäß dem generativen Herstellungsverfahren gebildeten Verbindungskörper, an dem die mindestens zwei Bauteilelemente beweglich gekoppelt sind.
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Bei Bauteilen, die mehr als zwei Bauteilelemente aufweisen, können die einzelnen Bauteilelemente durch unterschiedliche Kopplungsarten beziehungsweise Kopplungsvarianten miteinander beweglich gekoppelt sein. So kann eine Kopplung zwischen zwei Bauteilelementen durch Ineinandergreifen gebildet sein, wobei eine Kopplung eines dritten Bauteileelements mittels eines Kopplungselements gebildet ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils kann es vorgesehen sein, dass jedes Bauteilelement mit einer vorgegebenen Basisdichte gemäß dem generativen Herstellungsverfahren hergestelltist, wobei mindestens ein Bauteilelement ein bereichsweise ausgebildetes Verstärkungselement aufweist, welches mit höherer Dichte als die Basisdichte hergestellt ist, und wobei mindestens ein Bauteilelement zumindest bereichsweise mit einer geringeren Dichte als die Basisdichte hergestellt ist.
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Vorteilhafterweise können stärker belastete Bereiche der Bauteilelemente mit einer höheren Dichte hergestellt sein und weniger belastete Bereiche, die beispielsweise lediglich zur räumlichen Ausgestaltung beziehungsweise zum Ausfüllen des Bauteils beziehungsweise eines Bauteilelements dienen, mit einer geringeren Dichte als die Basisdichte hergestellt sein. So kann es vorgesehen sein, dass das Verstärkungselement mit höherer Dichte als die Basisdichte im Bereich der Kopplung der Bauteilelemente ausgebildet ist. Vorzugsweise können sämtliche Elemente oder Bereiche der Kopplung, die einer mechanischen Belastung ausgesetzt sind, mit einer höheren Dichte als die Basisdichte hergestellt sein. Die Bereiche des Bauteils mit geringerer Dichte erfordern einen geringeren Materialeinsatz und kürzere Prozesszeiten, so dass insgesamt weniger Prozesszeit benötigt wird, um das Bauteil mittels SLM herzustellen.
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Dichteveränderungen des Materials des Bauteils können erreicht werden, indem die Scanner-Geschwindigkeit, die Laserleistung und der Fokusdurchmesser des Lasers und/oder der Hatch-Abstand (Abstand der einzelnen Laserbahnen zueinander) variiert werden. Denkbar ist weiterhin eine Erhöhung der Schichtstärke, beispielsweise von üblicherweise 20 µm auf 40 µm. Da das Herstellen von großen Volumen mehr Zeit benötigt, können große und volle Bauteilstrukturen beispielsweise durch Gitterstrukturen ersetzt sein.
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Der minimal mögliche Abstand zwischen beweglichen Bauteilelementen, das heißt zwischen sich bewegenden Komponenten der Kopplung, ist vom Werkstoff und insbesondere von der Aufbaurichtung während des SLM-Prozesses abhängig.
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Die Dichteverteilung des Materials im Bauteil ist mit geeigneten Computerprogrammen bei der Konzeption des Bauteils in Abhängigkeit von konstruktiven und statischen Erfordernissen und der Belastung des Bauteils im Einsatz berechenbar. So ist die Dichteverteilung innerhalb des Bauteils so wählbar, dass die Prozesszeit zum Herstellen des Bauteils möglichst gering ist.
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Somit können Bauteilbereiche vorgesehen sein, die eine geringere Materialdichte erfordern, wobei Bauteilbereiche die eine höhere Materialdichte erfordern, mit einer höheren Materialdichte hergestellt sind.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Bauteilelemente Hohlräume oder Hinterschneidungen aufweisen, um das zu generierende Volumen des Bauteils beziehungsweise der Bauteilelemente gering zu halten, wodurch Prozesszeit bei der Fertigung eingespart werden kann. Dabei sollten die Hohlräume mindestens eine Öffnung aufweisen, um loses Pulvermaterial nach dem Bauprozess aus dem Hohlraum entfernen zu können.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils kann es vorgesehen sein, dass an mindestens einem Bauteilelement ein Federelement ausgebildet ist, mit dem die Bauteilelemente gegeneinander vorspannbar sind. Das Federelement ist vorzugsweise mit einer größeren Dichte als die Basisdichte hergestellt. Gemäß einer Ausführungsvariante ist das Federelement als axiales Federblatt an einer Kopplungsachse ausgebildet. Denkbar ist weiterhin ein Federelement in Form einer Spiralfeder.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass mindestens ein Bauteilelement zumindest eine Durchbrechung, ein Gewindeloch, einen Gewindebolzen und/oder ein Sackloch aufweist. Dabei kann/können die mindestens eine Durchbrechung, das mindestens eine Gewindeloch, der mindestens eine Gewindebolzen und/oder das mindestens eine Sackloch an oder in dem Verstärkungselement ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass zwischen den mindestens zwei Bauteilelementen zumindest ein die Bauteilelemente verbindendes, mindestens eine Sollbruchstelle aufweisendes Sicherungselement mitgebaut ist, welches eine Beweglichkeit der mindestens zwei Bauteilelemente hemmt und die Beweglichkeit erst nach einem Bruch der mindestens einen Sollbruchstelle freigibt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Sicherungselemente besteht darin, dass das Bauteil in einem für denHerstellprozess günstigen kompakten, beispielsweise zusammengeklappten Zustand gehalten werden. Dadurch ist eine Herstellung mit geringem Flächenbedarf und/oder geringer Aufbauhöhe möglich und die Bauteile können nach ihrer Fertigstellung platzsparend gelagert und transportiert werden. Zweckmäßigerweise ist die mindestens eine Sollbruchstelle eines Sicherungselements derart gebildet, dass eine Beweglichkeit der Bauteilelemente durch Überschreiten einer Belastungsgrenze freigebbar ist.
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Vorzugsweise ist das Sicherungselement mit geringerer Dichte als die Basisdichte hergestellt. An der Sollbruchstelle weist das Sicherungselement eine geringere Materialstärke in Form einer Einkerbung oder einer Einschnürung auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Sicherungselements kann es vorgesehen sein, dass das Sicherungselement als Verbindungssteg mit zwei Sollbruchstellen gebildet ist, wobei die Sollbruchstellen jeweils unmittelbar an einem Übergang zu einem Bauteilelement ausgebildet sind. Durch die Sollbruchstellen ist das Sicherungselement bei Überschreiten einer Belastungsgrenze vollständig von den Bauteilelementen lösbar. Nach dem Bruch der Sollbruchstellen kann das mindestens eine Sicherungselement wie loses Pulvermaterial ausgewaschen oder ausgeblasen werden. Vorteilhafterweise kann das mindestens eine Sicherungselement vorgesehen sein, um Bauteilelemente, zwischen denen ein Federelement gebildet ist, in Vorspannung zu halten.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauteils kann es vorgesehen sein, dass an mindestens einem Bauteilelement mindestens ein Arretierelement mit mindestens einer Sollbruchstelle mitgebaut ist, wobei das mindestens eine Arretierelement derart angeordnet gebildet ist, dass ein Bruch der Sollbruchstelle einen Zustand des Bauteilelements oder eine Anordnung der mindestens zwei Bauteilelemente arretiert. Dabei kann das Arretierelement zumindest im Bereich der Sollbruchstelle mit geringerer Dichte als die Basisdichte gebildet sein oder die Sollbruchstelle weist eine geringere Materialstärke in Form einer Einkerbung oder einer Einschnürung auf. Die Sollbruch-Arretierung kann beispielsweise mit einer in einem Gewinde schraubbaren Schraube gebildet sein, wobei die Sollbruchstelle unterhalb des Schraubenkopfes ausgebildet ist. Ein Überschreiten eines vorgegebenen Drehmoments führt beim Schrauben der Schraube zu einem Bruch der Sollbruchstelle, so dass der Schraubenkopf abgedreht wird. Dabei kann der Gewindeschaft der Schraube einen Funktionszustand des Bauteils dauerhaft arretieren. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass durch den Gewindeschaft ein Bewegungsgrad zwischen zwei Bauteilelementen beschränkt wird.
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Ferner kann eine Sollbruch-Arretierung auch als Montage-Arretierung eingesetzt werden, wobei ein Bruch der Sollbruchstelle einen vorgespannten Befestigungsmechanismus auslöst. Dies ist beispielsweise bei Schnellmontage-Scharnieren als Bauteil von Vorteil, da ein Scharnierelement des Scharniers durch das Auslösen des vorgespannten Befestigungsmechanismus mit wenigen Handgriffen an einem Türblatt oder an einem Türrahmen montierbar ist.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Bauteilelemente bereichsweise ausgebildete Stützstrukturen aufweisen. Diese dienen zur Stabilisierung filigraner Bauteilstrukturen und sind vorzugsweise mit einer geringeren Dichte als die Basisdichte gesintert, da es vorgesehen sein kann, dass die Stützstrukturen nach der Bauteilfertigung entfernt werden müssen. Aus fertigungsökonomischen Gründen können die Stützstrukturen daher vorzugsweise leicht lösbar gesintert sein. Dies wird durch eine vereinfachte mechanische, chemische oder thermische Lösbarkeit erreicht. Zum Erreichen einer vorzugsweise mechanischen Lösbarkeit können die Stützstrukturen mit einer geringeren Dichte als die Basisdichte und/oder dünnwandigen Geometrien und/oder perforierten Geometrien hergestellt sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils kann eine Rasteinrichtung vorgesehen sein, die mit einem radialen Rastelement an einer Kopplungsachse eines Bauteilelements und einem an dem gegenüberliegenden Bauteilelement ausgebildeten Profilelement gebildet ist. Die Rasteinrichtung dient zum Feststellen der beweglichen Bauteilelemente in einer gewünschten Position oder Anordnung. Da es sich bei der Rasteinrichtung um eine mechanisch beanspruchte Komponente des Bauteils handelt, ist das Rastelement und das Profilelement vorzugsweise mit einer höheren Dichte als die Basisdichte hergestellt.
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Das erfindungsgemäße Bauteil kann beispielsweise als Möbelscharnier, als Spannhebel oder als Klappenscharnier ausgeführt sein.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils als Möbelscharnier hergestellt mittels SLM,
- 2: ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils als Spannhebel hergestellt mittels SLM und
- 3: ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils als Klappenscharnier hergestellt mittels SLM.
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Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils als Möbelscharnier hergestellt mittels SLM, wobei mit den Bezugszeichen 1.1 und 1.2 zwei über eine Kopplung 2 beweglich miteinander verbundene Bauteilelemente gekennzeichnet sind. Das Bauteilelement 1.1 dient als Befestigungsplatte zur Befestigung des Möbelscharniers an einem Möbelkorpus, wobei das Bauteilelement 1.2 einen Schwenkarm bildet, der mit einem Türblatt koppelbar ist. Die Befestigungsplatte 1.1 weist zwei Durchbrechungen 3 mit Senke auf, um die Befestigungsplatte 1.1 an einem Möbelkorpus mittels Schrauben befestigen zu können. Das Möbelscharnier ist bereichsweise mit einer vorgebbaren Basisdichte hergestellt, wobei der mit dem Bezugszeichen 4 gekennzeichnete Bereich, das heißt der sichtbare Bereich der Befestigungsplatte 1.1, insbesondere im Bereich der Durchbrechungen 3, und der Schwenkarm 1.2 mit einer höheren Dichte als die Basisdichte hergestelltsind. Der sichtbare Bereich der Befestigungsplatte 1.1, insbesondere im Bereich der Durchbrechungen 3 und der Schwenkarm 1.2 sind daher als Verstärkungselemente ausgebildet.
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Die Kopplung 2 ist als Kopplungsmechanismus mit einem gemäß dem generativen Herstellungsverfahren gebildeten Kopplungsbolzen und einem zusätzlichen Kopplungselement 2.1 gebildet, wobei der Kopplungsbolzen in mindestens einer gemeinsamen Durchbrechung der Befestigungsplatte 1.1 und des Schwenkarms 1.2 angeordnet ist, und wobei die Befestigungsplatte 1.1 und der Schwenkarm 1.2 jeweils mit einem Kopplungsbolzen (nicht gezeigt) an dem Kopplungselement gekoppelt sind. Die Kopplung 2 ist somit als mehrgliedrige Kopplung ausgeführt, die ein Schwenken des Schwenkarms 1.2 ermöglicht.
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Der mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnete Bereich bildet den Formkörper der Befestigungsplatte 1.1 und ist mit einer geringeren Dichte als die Basisdichte hergestellt.
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Weiterhin umfasst das Möbelscharnier einen zweiten Koppelmechanismus 6, um den Schwenkarm 1.2 gegen die Befestigungsplatte 1.1 bewegen zu können.
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Das Möbelscharnier ist ohne Funktionseinschränkung vollständig in einem Bauprozess herstellbar, wobei nachträglich lediglich loses Material entfernt werden muss. Bedarfsweise können weitere Verfahren, Behandlungen oder Modifikationen an der Materialoberfläche vorgesehen werden.
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Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils als Spannhebel hergestellt mittels SLM. Der Spannhebel weist zwei Bauteilelemente 1.3 und 1.4 auf, die mit einerKopplung 7 beweglich miteinander verbunden sind. Die Kopplung 7 ist mittels eines Kopplungsbolzens gebildet, der in einer gemeinsamen Durchbrechung der Bauteilelemente 1.3 und 1.4 angeordnet ist. Das Bauteilelement 1.3 stellt einen Hebel dar, in dem zwei Durchbrechungen 8 ausgebildet sind. Ein schnallenförmiges drittes Bauteilelement 1.5 ist an einer Seite beweglich in den Durchbrechungen 8 aufgenommen. An seiner gegenüberliegenden Seite ist das schnallenförmige Bauteilelement 1.5 in ein Bauteilelement 1.6, welches als Hakenelement ausgebildet ist, eingehakt.
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Die 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils als Klappenscharnier hergestellt mittels SLM. Das Klappenscharnier weist zwei Bauteilelemente 1.7 und 1.8 auf, die mit einer Kopplung 11 beweglich miteinander verbunden sind. Jedes Bauteilelement 1.7 und 1.8 weist drei Durchbrechungen 12 auf. Zusätzlich ist im Bauteilelement 1.8 ein Gewindeloch 13 und ein Sackloch 14 ausgebildet. Die Bezugszeichen 10 kennzeichnen die Bereiche in den ein Verstärkungselement mit höherer Materialdichte als die Basisdichte hergestellt ist. Dies betrifft insbesondere die Durchbrechungen 12, das Gewindeloch 13 und das Sackloch 14 einschließlich deren Randbereiche. Bereiche, die mit geringerer Dichte als die Basisdichte hergestellt sind, sind mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1.1 - 1.8
- Bauteilelement
- 2
- Kopplung
- 2.1
- Kopplungselement
- 3
- Durchbrechungen
- 4
- Bereich höherer Sinterdichte, Verstärkungselement
- 5
- Bereich niedriger Sinterdichte
- 6
- zweiter Kopplungsmechanismus
- 7
- Kopplung
- 8
- Durchbrechungen
- 9
- Bereich niedriger Sinterdichte
- 10
- Bereich höherer Sinterdichte, Verstärkungselement
- 11
- Kopplung
- 12
- Durchbrechungen
- 13
- Gewindeloch
- 14
- Sackloch
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004032093 B4 [0002]
