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Das vorliegende Schutzrecht betrifft ein Gussverfahren, bei dem eine formgebende Kontur zur Herstellung eines Kernes verwendet wird. Ebenso betrifft das Schutzrecht ein entsprechendes Bauteil sowie ein System zu seiner Herstellung.
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Aus dem Stand der Technik sind Gussverfahren zur Herstellung von Bauteilen mit Hohlräumen bekannt, bei denen Kerne aus Salz oder aus anderen anorganischen Formmassen hergestellt werden.
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Die Kerne unterliegen einerseits einer Verformung bei der Abkühlung, was zu einer Abweichung der Geometrie von der Sollgeometrie führt. Andererseits gibt es geometrische Restriktionen, die aus den mechanischen Eigenschaften der Kernmaterialien bzw. der Kernstrukturen resultieren. So sind beispielsweise im Stand der Technik erreichbare Verhältnisse von Querschnitt zu Länge limitiert. Diese Verfahren sind daher nur bedingt für filigrane Strukturen geeignet. Demgemäß weisen auch die aus dem Stand der Technik bekannten Bauteile entsprechende Unzulänglichkeiten auf oder sind nur mit verhältnismäßig großem Aufwand herstellbar.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Gussverfahren und ein entsprechendes Bauteil vorzuschlagen, wodurch die im Stand der Technik auftretenden Probleme zumindest teilweise behoben werden können. Vorzugsweise sollen kostengünstig auch komplexe Hohlstrukturen ermöglicht werden.
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Dies wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 erreicht. Ebenso werden die erfindungsgemäßen Vorteile durch ein Bauteil gemäß dem unabhängigen Anspruch 17 sowie durch ein System zur Herstellung eines Bauteils gemäß dem unabhängigen Anspruch 24 realisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens, des Bauteils und des Systems ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
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Demgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Hohlraum vorgeschlagen, welches zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- - Bereitstellen eines Profils mit Rippen,
- - Anordnen des Profils in einem Kerngusswerkzeug, sodass sich die Rippen in einem Zwischenraum zwischen Profil und Kerngusswerkzeug erstrecken,
- - Herstellen eines Kerns in dem Zwischenraum zwischen Profil und Kerngusswerkzeug,
- - Entnehmen des Profils mit dem daran angeordneten Kern aus dem Kerngusswerkzeug,
- - Anordnen des Profils mit dem Kern in einem Kerngusswerkzeug,
- - Gießen eines Gussmantels, wobei der Gussmantel Kontakt zu dem Kern und zumindest abschnittsweise Kontakt zu zumindest einem Teil der Rippen hat,
- - Entfernen des Kerns.
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In dem Verfahren wird also typischerweise ein Zwischenprodukt hergestellt, welches das Profil mit den Rippen und den daran angeordneten Kern umfasst. Dieses zeichnet sich typischerweise durch vorteilhafte mechanische Eigenschaften aus, die unter anderem die Herstellung filigraner Strukturen ermöglichen kann, wobei auf aufwändige Nachbearbeitung oder nachträgliche Fügeoperationen verzichtet werden kann. Ferner können auch komplexe Bauteile kostengünstig hergestellt werden.
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Die Schritte werden beispielsweise in der oben gezeigten Reihenfolge ausgeführt.
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Zwischen den Rippen, dem Profil und dem Gussmantel verbleibten dort, wo während des Gießens der Kern angeordnet ist, nach dem Entfernen des Kerns typischerweise mehrere Kammern, die zu dem Hohlraum des Bauteils gehören.
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In dem Verfahren kann das Profil beispielsweise durch Strangpressen oder durch Gießen hergestellt sein. Das Profil kann in einer möglichen Ausführung mitsamt den Rippen in einem Strangpress- oder Gießprozess hergestellt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Rippen fügetechnisch auf ein zuvor hergestelltes Ausgangsprofil aufgesetzt sind.
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Das Profil kann aus Metall gefertigt sein, insbesondere aus Aluminium. Es kann aber auch aus Kunststoff gefertigt sein.
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Bei dem Verfahren kann das Profil als Hohlzylinder ausgebildet sein. Die Rippen können sich dann beispielsweise außen an einer Mantelfläche des Hohlzylinders erstrecken. Die Rippen können beispielsweise in axialer Richtung entlang der Außenseite des Hohlzylinders verlaufen. Ein Bauteil mit einem solchen Profil kann dann neben den durch die Kammern gebildeten Hohlräumen auch einen oder mehrere weitere Hohlräume aufweisen - insbesondere den im inneren des Hohlzylinders liegenden weiteren Hohlraum.
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Die Rippen können alternativ oder zusätzlich zum oben Beschriebenen in möglichen Ausführungen kürzer sein als eine Gesamtlänge des Profils und/oder unterbrochen sein. Dadurch können benachbarte Kammern durch aufgrund der Unterbrechungen oder der kürzeren Ausgestaltung vorhandener Durchgänge fluidisch miteinander verbunden sein. Wie später noch dargelegt wird, kann eine solche Ausführung insbesondere bei der Herstellung von Elektromotoren vorteilhaft sein.
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In dem Verfahren kann der Kern, wie erwähnt, insbesondere außen an dem Profil angeordnet werden. In dem Verfahren kann es vorgesehen sein, dass zwischen den Rippen und dem Kerngusswerkzeug ein Formschluss hergestellt wird. In dem Verfahren ist es insbesondere möglich, dass die Rippen aus dem Kern herausragen. Dies kann beispielsweise durch den zuvor erwähnten Formschluss zwischen den Rippen und dem Kerngusswerkzeug erreicht werden, wobei diejenigen Abschnitte der Rippen, die den Formschluss mit dem Kerngusswerkzeug herstellen dem Kernmaterial nicht zugänglich sind. Abschnitte der Rippen, die aus dem Kern herausragen, können anschließend einen weiteren Formschluss mit dem Gussmantel herstellen, wodurch eine verbesserte Verbindung zu dem Gussmantel und somit ein insgesamt robusteres Bauteil erreicht werden kann.
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Der Kern kann beispielsweise Salz und/oder Sand und/oder eine temperaturstabile Formmasse enthalten. Der Kern kann insbesondere aus einer Salzschmelze gebildet werden.
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Der Kern kann in einem Gussverfahren, beispielsweise in einem Niederdruckgussverfahren, hergestellt werden. Die Herstellung des Kernes ist aber nicht auf derartige Verfahren limitiert. Das Profil kann während des Verfahrens erhitzt und/oder gekühlt werden. Beispielsweise kann das Profil vor dem Gießen des Kerns erhitzt werden und/oder das Profil kann während des Gießens und/oder nach dem Gießen gekühlt werden.
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Bei dem Verfahren kann der Kern einen Anschnitt umfassen. In möglichen Ausführungen wird der Anschnitt vor dem Gießen des Gussmantels entfernt.
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Bei dem Verfahren kann der Gussmantel beispielsweise in einem Druckgussverfahren hergestellt werden. Der Gussmantel kann beispielsweise auch in einem Niederdruckgussverfahren oder in einem Schwerkraftkokillengussverfahren oder in einem Sandgussverfahren hergestellt werden. Der Gussmantel kann auch in einem Spritzgießverfahren hergestellt werden.
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Bei dem Verfahren kann der Gussmantel aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, hergestellt werden. Der Gussmantel kann aber beispielsweise auch aus Kunststoff hergestellt werden.
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Bei dem Verfahren kann eine Bereitstellung von einer oder mehreren Deckplatten an dem Gussmantel vorgesehen sein. Beispielsweise kann zumindest eine Deckplatte zusammen mit dem Gussmantel gegossen werden und so einen Teil des Gussmantels darstellen. Der Gussmantel kann dann eine Tassenform aufweisen. Eine weitere Deckplatte kann dann beispielsweise nach dem Gießen des Gussmantels in einem weiteren Verfahrensschritt angefügt werden. In einer anderen Ausführung können auch beide Deckplatten nachträglich angefügt werden.
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Bei dem Verfahren kann in zumindest einer der Deckplatten mindestens eine Kontaktierungsöffnung bereitgestellt werden. Die mindestens eine Kontaktierungsöffnung kann vorzugsweise in dem radial ausliegenden Bereich der Deckplatte angeordnet werden, in dem sich der zwischen Profil und Gussmantel erstreckende Hohlraum erstreckt. Etwa kann eine erste Kontaktierungsöffnung eine fluidische Verbindung zu einer der Kammern herstellen. Eine weitere Kontaktierungsöffnung kann eine fluidische Verbindung zu einer weiteren Kammer herstellen. So kann der Hohlraum über die Kontaktierungsöffnung oder die Kontaktierungsöffnungen durch ein Kühlmedium, welches durch die Öffnungen zu- und abgeleitet werden kann, kontaktiert werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil mit einem Hohlraum, welches durch einen wie oben beschriebenes Verfahren hergestellt ist. Das Bauteil umfasst ein Profil mit einer Mehrzahl Rippen sowie einen Gussmantel. Der Hohlraum erstreckt sich zwischen Profil und Gussmantel und die Rippen erstrecken sich in dem Hohlraum. Dabei ist der Gussmantel mit den Rippen verbunden. Der Hohlraum kann also durch die Rippen in mehrere Kammern getrennt sein, wobei die Kammern beispielsweise durch Unterbrechungen in den Rippen oder dadurch, dass die Rippen einseitig oder beidseitig verkürzt sind miteinander verbunden sein können, sodass ein Kühlmedium zwischen den verschiedenen Kammern strömen kann. Insbesondere können die Rippen dabei an abwechselnd entgegengesetzten Enden verkürzt oder in der Nähe dieser Enden unterbrochen sein, sodass ein Durchgang von einer Kammer zur nächsten abwechselnd an entgegengesetzten Enden das Bauteils bereitgestellt wird und einen im wesentlichen mäanderförmiger Zwischenraum gebildet wird.
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Bei dem Bauteil kann zwischen den Rippen und dem Gussmantel ein Formschluss bestehen.
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Das Profil und der Gussmantel können beispielsweise aus einem Metall, etwa aus Aluminium, oder auch aus Kunststoff gebildet sein.
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Bei dem Bauteil kann der Gussmantel einen hohlzylindrischen Abschnitt aufweisen. Der Gussmantel kann eine gegossene Deckplatte umfassen. Der Gussmantel kann alternativ oder zusätzlich eine angefügte Deckplatte umfassen.
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In zumindest einer der Deckplatten des Gussmantels können eine oder mehrere Kontaktierungsöffnungen für ein Kühlmedium angeordnet sein. Beispielsweise können die eine oder die mehreren Kontaktierungsöffnungen derart angeordnet sein, dass sie einen Zugang zu dem Hohlraum, insbesondere einer der Kammern, zwischen Profil und Gussmantel ermöglichen.
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Das Bauteil kann eine Komponente eines Elektromotors darstellen. Insbesondere kann es sich um ein Motorgehäuse handeln. Insbesondere kann es sich um ein Motorgehäuse eines mediengekühlten Elektromotors handeln. Insbesondere hierfür eignet sich die Ausführung mit den fluidisch verbundenen Kammern und der einen oder den mehreren Kontaktierungsöffnungen.
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Es kann sich bei dem Bauteil aber auch um ein Strukturbauteil mit einem Hohlraum handeln. Dabei kann eine Stützstruktur vorhanden sein, die insbesondere durch das Profil mit den Rippen dargestellt sein kann.
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Die Erfindung bezieht sich auch ein System zur Herstellung eines Bauteils mit einem Hohlraum. Insbesondere kann es sich um ein System zur Herstellung des oben beschriebenen Bauteils bzw. ein System zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens handeln.
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Das System umfasst ein Profil mit Rippen sowie ein Kerngusswerkzeug zur Aufnahme des Profils mit den Rippen, wobei das Kerngusswerkzeug eine oder mehrere Rippenaufnahmeausnehmungen aufweisen kann. In die Rippenaufnahmeausnehmungen ist zumindest ein Teil der Rippen teilweise einführbar, so dass ein Formschluss zwischen Kerngusswerkzeug und den eingeführten Rippen herstellbar ist. Ein Zwischenraum zwischen dem Profil und dem Kerngusswerkzeug - in dem sich auch die nicht eingeführten Abschnitte der Rippen sowie möglich nicht eingeführte Rippen erstrecken - bleibt dabei frei. Dieser Zwischenraum ist dann mit dem Kernmaterial erfüllbar. Das Kernmaterial kann dann die freigebliebenen Zwischenräume zwischen den Rippen füllen.
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Das System kann weiterhin ein Gusswerkzeug umfassen, welches zur Aufnahme des Profils mit den Rippen und einem daran angeordneten Kern eingerichtet ist.
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Es sei betont, dass Merkmale, die hier nur im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, entsprechend auch für das Bauteil sowie das System beansprucht werden können und umgekehrt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren weiter erläutert.
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Darin zeigen
- 1a, b ein Profil mit Rippen, in einer perspektivischen Ansicht (a) und einer Seitenansicht (b),
- 2 ein Gusswerkzeug in geöffnetem Zustand mit teilweise eingesetztem Profil und in einer vergrößerten Ansicht eine Darstellung eines Formschlusses des Gusswerkzeugs mit dem Profil,
- 3 das mit Profil mit gegossenem Kern,
- 4a, b eine perspektivische Ansicht eines Gussteils vor dem Entkernen, umfassend das Profil, einen Gussmantel (a) und den Kern, sowie eine Schnittansicht desselben Gussteils (b),
- 5a-c das als Motorgehäuse ausgebildete Gussteil nach dem Entkernen, von zwei entgegengesetzten Seiten (a, b) sowie in einer vergrößerten Ansicht (c),
- 6a ein komplex geformtes Profil als Stützstruktur für ein Strukturbauteil,
- 6b das Profil aus 6a mit daran angeordnetem Kern,
- 6c das entkernte Strukturbauteil, das Profil aus 6a und b umfassend, sowie einen gegossenem Gussmantel.
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1a und b zeigen unterschiedliche Ansichten eines Profils 1 mit Rippen 2, welches in einem Strangpressprozess hergestellt ist. Das Profil 1 ist dabei in dem Strangpressprozess mitsamt den Rippen 2 hergestellt, wodurch ein Fertigungsaufwand gering gehalten wird. 1a zeigt eine perspektivische Ansicht und 1b eine Seitenansicht. Das Profil 1 hat eine hohlzylindrische Form, wobei die Rippen 2 außen an einer Mantelfläche des Hohlzylinders angeordnet sind und sich in axialer Richtung erstrecken. Wie in beiden 1a und 1b erkennbar ist, erstrecken sich die Rippen nicht über eine gesamte Länge des Hohlzylinders, sondern sind an den Enden verkürzt, wobei benachbarte Rippen an entgegengesetzten Enden verkürzt sind, sodass ein mäanderförmiger Zwischenraum entsteht.
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2 zeigt, wie das Profil aus 1a und 1b in ein Kerngusswerkzeug 3 eingesetzt wird, welches zwei Werkzeughälften umfasst, die derart zusammenfügbar sind, dass das Profil 1 mit den Rippen 2 in einer Kavität des Kerngusswerkzeugs 3 angeordnet werden kann. Eine Fläche das Kerngusswerkzeug, die die Kavität begrenzt, weist dabei Rippenaufnahmeausnehmungen 4 auf, in die die Rippen 2 des eingesetzten Profils eingeführt werden können. Wie in der rechts in der 2 dargestellten vergrößerten Ansicht erkennbar ist, bilden die Rippen 2 mit den Rippenaufnahmeausnehmungen 4 einen Formschluss 10. Ein Zwischenraum 11' zwischen Profil 1 und Kerngusswerkzeug 3 wird dabei von dem hohl zylinderförmigen inneren Teil des Profils 1 innen begrenzt, von dem Kerngusswerkzeug 3 außen begrenzt und außerdem seitlich von zwei der Rippen 2 begrenzt. In diesem Zwischenraum 11' kann dann der Kern hergestellt werden, indem ein Kernmaterial, insbesondere eine Salzschmelze dort eingebracht wird.
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3 nun ein Zwischenprodukt, welches das Profil und den daran angeordneten Kern 5 umfasst. Der Kern 5 erstreckt sich an der Außenseite des im wesentlichen zylindrischen Profils 1 und wird von den Rippen 2 durchsetzt. Der Kern 5 weist einen Anschnitt 6 auf, der sich an einer Seite des zylindrischen Profils 1 axial erstreckt. Radial außenliegende Abschnitte der Rippen 2 ragen dabei radial aus dem Kern 5 heraus. Der Anschnitt 6 kann in einem Schritt des Verfahrens entfernt werden.
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4a zeigt nun das Zwischenprodukt aus 3, mit dem Profil 1 und dem daran angeordneten Salzkern 5, wobei der Anschnitt 6 entfernt wurde und außerdem an der Außenseite des Zwischenprodukts ein gegossener Gussmantel angeordnet ist. Zum Herstellen des Gussmantels 7 wird das Zwischenprodukt in ein Gusswerkzeug eingelegt und der Gussmantel 7 dann in einem Druckgussverfahren, einem Niederdruckgussverfahren, einem Schwerkraftkokillengussverfahren, einem Sandgussverfahren oder einem Spritzgießverfahren hergestellt. Der Gussmantel 7 umhüllt das Zwischenprodukt und ist seinerseits ebenfalls im wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Er umfasst ferner eine Deckplatte 8, die in einem Zuge mitgegossen wurde. Der Gussmantel 7 greift formschlüssig in die Rippen 2.Das wird dadurch ermöglicht, dass diese, wie zuvor beschrieben, ein Stück aus dem Kernmaterial herausragen und somit ein Formschluss für den herausragenden Abschnitt hergestellt werden kann.
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4b zeigt einen Schnitt durch die in 4a gezeigte Anordnung. Hier ist nochmals erkennbar, dass einige der Rippen 2 sich nicht über die gesamte Länge des Profils 1 bzw. des Gussmantels 7 erstrecken.
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5a bis c zeigen das Bauteil aus den vorangegangenen Figuren, wobei der Kern 5 entfernt wurde. Ds Entfernen des Kerns kann insbesondere durch Herauslösen geschehen. Es handelt sich bei dem Bauteil um ein Gehäuse eines Elektromotors, mit einem zwischen dem Profil 1 und dem Gussmantel 7 liegenden Hohlraum 11, der durch die Rippen 2 in mehrere Kammern unterteilt wird, die aufgrund der an den Enden des Bauteils verkürzten Rippen 2 miteinander verbunden sind. Der Hohlraum 11 kann zur Kühlung des Elektromotors mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden, welches dem Hohlraum, dessen Mäanderform folgend, durchströmen kann. Das Gehäuse des Elektromotors ist aus Metall, insbesondere aus Aluminium gefertigt.
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5b zeigt eine Rückseite des Bauteils, wo eine Deckplatte 8 des Gussmantels 7 erkennbar ist. Sie weist in einem radial außenliegenden Bereich, auf Höhe des Hohlraums 11, Kontaktierungsöffnungen 9, durch welche der Hohlraum 11 mit dem Kühlmedium kontaktiert werden kann. Auf der entgegengesetzten Seite kann in einem Schritt. des Verfahrens ebenfalls eine Deckplatte angeordnet werden, diese kann beispielsweise angefügt werden.
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5c zeigt in einer vergrößerten Darstellung den Formschluss 10 zwischen den Rippen 2 und dem Gussmantel 7.
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6a bis c beziehen sich auf ein Strukturbauteil, welches beispielsweise aus Plastik gefertigt sein. Die Herstellung des Strukturbauteils erfolgt analog zur Herstellung des Motorgehäuses, die oben beschrieben wurde.
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6a zeigt ein Profil 1 mit außenliegenden Rippen 2.das Profil ist zylinderförmig und die Rippen 2 sind an seiner Außenseite davon angeordnet.
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6b zeigt das Profil 1 mit dem außen daran angeordneten Kern 5. Dies stellt wieder das aus dem Herstellungsprozess des Elektromotors bekannte Zwischenprodukt dar.
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6c zeigt schließlich das fertige Strukturbauteil, mit einem Hohlraum 11, der sich zwischen dem zylindrischen Teil des Profils 1, dem Gussmantel 7 und den Rippen 2 erstreckt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Profil
- 2
- Rippe
- 3
- Kerngusswerkzeug
- 4
- Rippenaufnahmeausnehmung
- 5
- Kern
- 6
- Anschnitt
- 7
- Gussmantel
- 8
- Deckplatte
- 9
- Kontaktierungsöffnung
- 10, 10'
- Formschluss
- 11, 11'
- Hohlraum, Zwischenraum
