DE102019130289A1

DE102019130289A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit zumindest einem Sichtfenster sowie Bauelement

Info

Publication number: DE102019130289A1
Application number: DE102019130289.7A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Rosenberger; Frank Horn
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2021-05-12

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit zumindest einem Sichtfenster, bei welchem ein erster Abschnitt des Bauelements durch einen ersten Werkstoff und zumindest ein zweiter Abschnitt des Bauelements durch einen zweiten Werkstoff gebildet sind, umfassend die Schritte:- Bereitstellen eines Bauelements mit zumindest einer Öffnung, wobei das Bauelement aus einem ersten Werkstoff geformt ist;- Schließen der zumindest einen Öffnung in einem urformenden Verfahren mit einem zweiten Werkstoff, wobei der zweite Werkstoff ein transparenter Werkstoff ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit zumindest einem Sichtfenster sowie ein Bauelement.
Wenn Bauteile entwickelt werden, ist es oftmals erwünscht, ins Innere dieser Bauteile sehen zu können, beispielsweise um das Verhalten von Medienkreisläufen, wie zum Beispiel Ölkreisläufen, beurteilen zu können. Ein bekannter Ansatz besteht darin, Bauteile mit Schaugläsern oder Sichtfenstern zu versehen. So werden zum Beispiel in Kurbelgehäusen von Verbrennungsmotoren Schaugläser oder Sichtfenster dadurch geschaffen, dass zunächst Öffnungen freigelegt werden, in welche Kunststoff- oder Glasscheiben geklebt werden. Dies ist allerdings sehr arbeitsintensiv. Hinzu kommt, dass eine Positionierung der Sichtfenster nur relativ eingeschränkt möglich ist, da diese in erster Linie in ebene Wandabschnitte eingesetzt werden können. Die DE 199 60 687 C2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Leitungselements unter Einsatz des Gasinnendruckverfahrens. Das Gasinnendruckverfahren ist hierbei derart ausgestaltet, dass in einem Arbeitsgang medienführende Leitungen mit einem transparenten Sichtfenster zur Beobachtung des Medienstromes hergestellt werden können, wobei das transparente Sichtfenster integraler Bestandteil der medienführenden Leitung ist und mit dieser ein einziges Stück ausbildet. Der vorgeschlagene Ansatz ist aber auf das Gasinnendruckverfahren beschränkt und damit nur für bestimmte Bauteilgeometrien anwendbar.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements mit zumindest einem Sichtfenster sowie ein Bauelement anzugeben, wobei ein Höchstmaß an Flexibilität bei gleichzeitig geringen Kosten realisierbar sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Bauelement gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit zumindest einem Sichtfenster oder mit zumindest einem Schauglas aus einem transparenten Werkstoff, bei welchem ein erster Abschnitt des Bauelements durch einen ersten Werkstoff und zumindest ein zweiter Abschnitt des Bauelements durch einen zweiten Werkstoff gebildet sind, die Schritte:

- Bereitstellen eines Bauelements mit zumindest einer Öffnung, wobei das Bauelement aus einem ersten Werkstoff geformt ist;
- Schließen der zumindest einen Öffnung in einem urformenden Verfahren mit einem zweiten Werkstoff, wobei der zweite Werkstoff ein transparenter Werkstoff ist.

Zweckmäßigerweise werden das oder die Sichtfenster nicht separat gefertigt und eingesetzt, sondern unmittelbar im Bauelement durch den zweiten Werkstoff geformt. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Verwendung urformender Fertigungsverfahren, da diese eine Höchstmaß an Flexibilität bereitstellen, sei es in Bezug auf die verwendbaren Materialien oder Werkstoffe, vor allem aber in Bezug auf die geometrischen Freiheitsgrade. Unter einem urformenden Verfahren werden vorliegend auch generative Verfahren, wie das 3D-Drucken, verstanden. Gemäß einer Ausführungsform wird mittels eines generativen Verfahrens unmittelbar in dem Bauelement ein Sichtfenster erzeugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden das Bauelement und das zumindest eine Sichtfenster in Gießverfahren geformt oder erzeugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:

- Bereitstellen einer ersten Gießform;
- Einbringen eines ersten Werkstoffs in die erste Gießform zum zumindest abschnittsweise Formen des Bauelements, wobei das Bauelement oder eine Wandung des Bauelements die zumindest eine Öffnung aufweist;
- Ausgießen der zumindest einen Öffnung mit einem zweiten Werkstoff.

Das Bauelement, umfassend das zumindest eine Sichtfenster, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in zwei Gießvorgängen fertiggestellt. Mit Vorteil wird also anstelle des nachträglichen Einbringens eines Sichtfenster dieses direkt in einem zweiten Gießvorgang eingebracht. Der zweite Werkstoff wird dabei mit Vorteil in die zumindest eine Öffnung eingegossen oder angegossen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der transparente Werkstoff ein transparenter Kunststoff, insbesondere ein transparenter thermoplastischer Kunststoff, wie Acrylglas. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt eine Schmelztemperatur des zweiten Werkstoffs unter der Schmelztemperatur des ersten Werkstoffs. Alternativ kann die Schmelztemperatur des zweiten Werkstoffs auch im Bereich der Schmelztemperatur des ersten Werkstoffs liegen. Der erste Werkstoff wird in der Folge beim Einbringen des zweiten Werkstoffs, zumindest geringfügig, angeschmolzen, wodurch ein Stoffschluss erreicht oder erhöht werden kann.
Der erste Werkstoff ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Aluminiumwerkstoff bzw. eine Aluminiumlegierung. Alternativ handelt es sich um einen Stahlwerkstoff. Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Werkstoff ein metallischer Werkstoff und der zweite Werkstoff ein nicht-metallischer Werkstoff. Alternativ kann auch der erste Werkstoff ein nicht-metallischer Werkstoff, beispielsweise ein Kunststoff, sein.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Bauelement in der ersten Gießform vollständig geformt bzw. liegt als vollständiges Bauelement vor. Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:

- Einbringen der zumindest einen Öffnung durch mechanische Nachbearbeitung des Bauelements.

Die zumindest eine Öffnung kann an der gewünschten Stelle bzw. an den gewünschten Stellen, durch mechanische Nacharbeit, wie Bohren, Schneiden, Sägen oder Fräsen etc., eingebracht werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Formen der zumindest einen Öffnung in oder durch die Gießform.

Vorteilhafterweise wird die zumindest eine Öffnung beim Formen des ersten Bauelements mitgeformt. Hierzu kann die erste Gießform entsprechend ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Gießform einen oder mehrere Kerne umfassen, welche ausgelegt sind, die zumindest eine Öffnung zu formen. Weiter alternativ kann die Gießform einen oder mehrere Schieber aufweisen, welche ausgelegt und geformt sind, die zumindest eine Öffnung zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Entformen des Bauelements nach dem Abgießen des ersten Werkstoffs und Einlegen des Bauelements in eine zweite Gießform zum Abgießen der zumindest einen Öffnung, wobei eine Kavität der zweiten Gießform einer Kavität der ersten Gießform entspricht.

Beim Einlegen oder Einsetzen des abgegossenen Bauelements in die zweite Gießform formt die zumindest eine Öffnung einen Hohlraum, wobei dieser Hohlraum durch den zweiten Werkstoff gefüllt wird. Zweckmäßigerweise weisen die erste Gießform und die zweite Gießform ein unterschiedliches Angusssystem auf. Insbesondere sind die Angusssysteme vorteilhafterweise an die unterschiedlichen Werkstoffe angepasst. Auch Verlauf und Geometrie sind zweckmäßigerweise entsprechend angepasst.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Anformen, insbesondere Angießen, des zweiten Werkstoffs an eine Innenkontur der zumindest einen Öffnung.

Zweckmäßigerweise wird der erste Werkstoff bzw. die bereits gegossene Geometrie des Bauelements nicht umgossen. Stattdessen erfolgt ein Angießen, insbesondere ein Angießen an die Innenontur. Durch den zweiten Werkstoff wird die Geometrie des Bauelements exakt weitergeführt bzw. die ursprüngliche Form wieder vervollständigt. Die Bauteilgeometrie ändert sich durch das Einbringen der Sichtfenster also nicht. Dadurch dass der zweite Werkstoff transparent ist, ist das Bauelement ebenfalls bereichsweise transparent, weist ansonsten aber exakt die Geometrie des eigentlichen bzw. ursprünglichen Bauelements auf.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Einbringen einer Struktur in die Innenkontur, sodass zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff ein Formschluss erzielt oder erhöht wird.

Die Struktur kann Vor- und/oder Rücksprünge, Rillen, Noppen, Riffelungen, Stege oder dergleichen umfassen, welche insbesondere entlang der Öffnung einen Formschluss ermöglichen. Hiermit wird nochmals sichergestellt, dass der angeformte insbesondere eingegossene, zweite Werkstoff exakt in seiner Position gehalten wird und beispielsweise nicht in das Bauelement fällt. Die Struktur kann durch eine geeignete Nachbearbeitung, beispielsweise durch eine mechanische Nachbearbeitung, erzeugt werden. Alternativ kann die Struktur auch direkt bei der Herstellung des ersten Bauelements erzeugt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Gießverfahren ein metallisches Gießverfahren, insbesondere ein Niederdruckgussverfahren, ein Kokillengussverfahren, ein Sandgussverfahren oder ein Druckgussverfahren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Bauelement, insbesondere ein Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors, im Sandguss, in einer ersten Gießform, erzeugt. Das so erzeugte Bauelement wird in einem nächsten Schritt in eine neue Sandgussform (zweite Gießform) eingelegt, wobei diese der ursprünglichen Sandgussform entspricht. Insbesondere entsprechen die Kavitäten oder Formhohlräume einander. Zweckmäßigerweise erfolgt vor dem Einlegen die die neue Sandgussform eine Rohteilbearbeitung, bei welcher das Bauelement entgratet und ggf. mechanisch bearbeitet wird. Gegebenenfalls werden hier auch an den Stellen, wo Sichtfenster sein sollen, eine oder mehrere Öffnungen erzeugt. Angeordnet in der neuen Sandgussform liegt das Bauelement entsprechend in seiner „eigentlichen“ Gießform und füllt deren Formhohlraum vollständig aus. Im Bereich der Öffnungen bleiben allerdings Hohlräume frei, welche zum einen durch die zweite Gießform als auch durch das Bauelement selbst begrenzt werden. In einem nächsten Schritt wird flüssiger zweiter Werkstoff, wie ein Kunststoff, über Kanäle in der Sandgussform direkt zu den Hohlräumen geleitet. Nach dem Aushärten entsteht ein Bauelement mit einer geschlossenen Kontur.
Die Erfindung betrifft auch ein Bauelement, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, wobei die zumindest eine Öffnung ein Sichtfenster in dem Bauelement ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauteil ein Bauteil einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere ein Kurbelgehäuse. Das ehemals nötige Einpassen von Glasscheiben oder Acrylglasscheiben ist damit nicht mehr nötig. Werkstattzeit kann vorteilhafterweise eingespart werden.
Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des ersten und des zweiten Werkstoff können zweckmäßigerweise dazu genutzt werden, um eine Dichtheit zu erhöhen bzw. zu erzielen. Es können (in Grenzen) beliebige Flächen transparent erzeugt werden und somit Bereiche untersucht werden, welche vorher nicht im Medienkreislauf sichtbar waren. Vorher entfallene Geometrien, wie beispielsweise Rippen auf der Innenseite einer Wandfläche eines Bauelements, können weiterhin bestehen, da sie durch den zweiten Werkstoff nachgebildet werden können. Die vorgeschlagenen urformenden Verfahren bieten hierzu die notwendigen Freiheitsgrade.
Gemäß einer Ausführungsform führt das Sichtfenster die Geometrie des Bauteils weiter. Gemäß einer Ausführungsform sind die Sichtfenster insbesondere in den druckbelasteten Bereichen des Bauelements vorgesehen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens bzw. eines Bauelements mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Es zeigen:

1: eine schematische Ansicht einer Öffnung in einem Bauelement vor dem Einbringen eines zweiten Werkstoffs;
2: die aus der 1 bekannte Öffnung, in welche der zweite Werkstoff eingebracht wurde.

1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Bauelement mit einer Wandung, wobei diese Wandung aus einem ersten Werkstoff 10 gebildet ist. Bei dem Bauelement handelt es sich gemäß einer Ausführungsform um ein Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors. Die Wandung umfasst eine Öffnung 20, wobei diese eine Innenkontur 22 aufweist. Das Bauelement wurde erzeugt, indem in einem ersten Gießverfahren der erste Werkstoff 10 in eine erste Gießform eingebracht wurde. Die Öffnung 20 wurde beispielsweise durch eine nachträgliche mechanische Bearbeitung eingebracht oder auch direkt während des ersten Gießverfahrens, beispielsweise durch eine entsprechende Form der ersten Gießform selbst, durch das Vorsehen eines Kerns oder durch die Verwendung eines Schiebers etc. In einem zweiten Schritt wird das so entstandene Bauelement wieder in eine Gießform eingelegt, beispielsweise in eine zweite Gießform, wobei deren Kavität der ersten Gießform entspricht.
Deren Kavität ist durch das Bauelement sozusagen „vollständig“ gefüllt, lediglich im Bereich der zumindest einen Öffnung sind Hohlräume oder ist ein Hohlraum gebildet. Dieser wird in einem zweiten Gießverfahren mit einem zweiten Werkstoff, insbesondere mit einen transparenten Werkstoff, gefüllt, vgl. die 2.
2 zeigt die aus der 1 bekannte Skizze. Die Öffnung 20 ist nun durch einen zweiten Werkstoff 40 gefüllt, vgl. den schraffierten Bereich. Die Skizze zeigt auch, dass eine Form oder Kontur einer Wandung des Bauelements, gebildet aus dem ersten Werkstoff 10, stufenlos oder nahtlos durch den zweiten Werkstoff 40 weitergeführt wird. Da der zweite Werkstoff 40 mittels einer urformenden Verfahren, beispielsweise mittels eines Gießverfahrens, eingebracht wird, können beliebige Geometrien dargestellt werden, bzw. es besteht zumindest eine sehr große Formfreiheit.
Die Wandung ist nicht umgossen. Stattdessen ist der zweite Werkstoff 40 direkt an die Innenkontur 22 angeformt, vgl. diesbezüglich auch die 1.
Bezugszeichenliste

10: erster Werkstoff
20: Öffnung
22: Innenkontur
40: zweiter Werkstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19960687 C2 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit zumindest einem Sichtfenster, bei welchem ein erster Abschnitt des Bauelements durch einen ersten Werkstoff (10) und zumindest ein zweiter Abschnitt des Bauelements durch einen zweiten Werkstoff (40) gebildet sind, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Bauelements mit zumindest einer Öffnung (20), wobei das Bauelement aus einem ersten Werkstoff (10) geformt ist; - Schließen der zumindest einen Öffnung (20) in einem urformenden Verfahren mit einem zweiten Werkstoff (40), wobei der zweite Werkstoff (40) ein transparenter Werkstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer ersten Gießform; - Einbringen des ersten Werkstoffs (10) in die die erste Gießform zum zumindest abschnittsweise Formen des Bauelements; - Ausgießen der zumindest einen Öffnung (20) mit dem zweiten Werkstoff (40).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Werkstoff (40) ein transparenter Kunststoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Einbringen der zumindest einen Öffnung (20) durch mechanische Nachbearbeitung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, umfassend den Schritt: - Formen der zumindest einen Öffnung (20) in oder durch die erste Gießform.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, umfassend den Schritt: - Entformen des Bauelements nach dem Abgießen des ersten Werkstoffs (10) und Einlegen des Bauelements in eine zweite Gießform, zum Abgießen der zumindest einen Öffnung (20), wobei eine Kavität der zweiten Gießform einer Kavität der ersten Gießform entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Anformen des zweiten Werkstoffs (40) an eine Innenkontur (22) der zumindest einen Öffnung (22).
Verfahren nach Anspruch 7, umfassend den Schritt: - Einbringen einer Struktur in die Innenkontur (22), sodass zwischen dem ersten Werkstoff (10) und dem zweiten Werkstoff (40) ein Formschluss erzielt oder erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Gießverfahren ein metallisches Niederdruckgussverfahren, ein Kokillengussverfahren, ein Sandgussverfahren oder ein Druckgussverfahren ist.
Bauelement, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Öffnung (20) ein Sichtfenster ist.
Bauelement nach Anspruch 10, wobei das Bauelement ein Bauteil einer Verbrennungskraftmaschine ist, insbesondere eine Kurbelgehäuse.
Bauelement nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Sichtfenster die Geometrie des Bauelements weiterführt.