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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil oder einen Bauteilabschnitt, umfassend eine Wärmerohrstruktur, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils oder eines Bauteilabschnitts.
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Wärmerohre sind Wärmeübertrager, die unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte erlauben. Die Anwendungsmöglichkeiten sind äußerst vielfältig. Die
DE 10 2016 113 620 A1 offenbart beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäusebauteils eines Verbrennungsmotors, das mindestens einen Fluidkanal für ein Arbeitsmedium umfasst, der in einer mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellten Struktur ausgebildet ist, und wobei der Fluidkanal als Teil eines Wärmerohres ausgebildet wird. Dabei wird insbesondere die hohe Gestaltungsfreiheit ausgenutzt, welche die additiven Fertigungsverfahren bieten. Eine Schwierigkeit in diesem Zusammenhang besteht allerdings darin, den Fluidkanal bzw. das Wärmerohr in geeigneter Weise mit dem (Arbeits-)Medium zu befüllen. Die vorgenannte Druckschrift schlägt die Ausbildung eines Zugangskanals vor, um den Fluidkanal mit dem Arbeitsmedium zu befüllen, wobei dieser nach dem Befüllen gasdicht verschlossen wird, um den Betrieb des Wärmerohrs zu ermöglichen. Das sichere gasdichte Verschließen ist allerdings nicht unproblematisch. Zudem schwächt ein derartiger Zugangskanal das Bauteil.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil oder einen Bauteilabschnitt sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils oder eines Bauteilabschnitts anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile beseitigen und insbesondere die Herstellung additiv gefertigter Wärmerohrstrukturen auch in hochbelasteten Bereichen/Bauteilen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil oder einen Bauteilabschnitt gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Bauteil oder ein Bauteilabschnitt, wobei das Bauteil oder der Bauteilabschnitt mittels eines additiven Fertigungsverfahrens erzeugt ist, zumindest ein abgeschlossenes Volumen, wobei das Volumen eine Struktur zum Erzeugen einer Kapillarwirkung aufweist, insbesondere eine Wärmerohrstruktur, und wobei sich in dem Volumen ein Fluid befindet, welches vor einem Schließen des Volumens, mit anderen Worten während der Herstellung oder Erzeugung des Volumens und/oder der Wärmerohrstruktur, eingebracht ist. Das abgeschlossene Volumen als solches kann auch als Wärmerohr bezeichnet werden. Bei dem Fluid handelt es sich um ein geeignetes Arbeitsmedium bzw. Arbeitsfluid. Die Struktur kann das Volumen vollständig ausfüllen. Gemäß einer Ausführungsform ist auch nur eine Innenwandung des Volumens mit der Struktur versehen bzw. weist diese auf. Das Volumen selbst kann insbesondere auch aufgrund der Gestaltungsfreiheiten, welche additive Fertigungsverfahren bieten, jede beliebige Struktur oder Form aufweisen. Der große Vorteil besteht vorliegend darin, dass das Fluid in das Volumen, also in die Wärmerohrstruktur, während dessen Herstellung eingebracht wird. Ein nachträgliches gesondertes Schließen des Volumens bzw. das Vorsehen etwaiger Füllungs- oder Zugangskanäle zum Einbringen des Fluids werden in der Folge nicht benötigt. Die umliegende Bauteilgeometrie wird vorteilhafterweise nicht geschwächt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Fluid über ein Trägermedium eingebracht. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Trägermedium einen oder eine Vielzahl von Behältern, wie Kapseln, Beutel bzw. allgemein Hüllelemente, wobei diese Hüllelemente bevorzugt eine Wandung aufweisen und im Inneren das bevorzugt flüssige Fluid. Nach dem Befüllen des Volumens und dem Schließen des Volumens kann in geeigneter Weise ein Öffnen oder Zerstören der Wandung stattfinden, um das Fluid freizusetzen.
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Alternativ kann das flüssige Fluid auch direkt während der Herstellung des Volumens eingebracht werden, ohne die Verwendung eines Trägermediums. Hierzu wird der Herstellungsprozess, welcher ohnehin schrittweise, insbesondere schichtweise bzw. lagenweise, stattfindet, unterbrochen. Im Anschluss kann das bereits erzeugte Volumen mit der gewünschten Menge des Fluids befüllt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Struktur Taschen oder Ausnehmungen für das Trägermedium auf. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn das Volumen vollständig bzw. im Wesentlichen vollständig mit der Struktur ausgefüllt ist oder werden soll. Hier können die Taschen oder Ausnehmungen dazu dienen, die Anordnung des Trägermediums, welche ihrerseits einen gewissen Raum einnehmen, zu ermöglichen.
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Ist die Struktur an einer Innenwandung des Volumens ausgebildet, ergibt sich automatisch im Inneren des Volumens ein Freiraum, welcher die Anordnung des Trägermediums ermöglicht, sodass auf eine gezielte Einbringung von Taschen oder Ausnehmungen verzichtet werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Struktur zumindest bereichsweise durch das Trägermedium gebildet. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Trägermedium ebenfalls eine Wärmerohrstruktur. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Trägermedium eine Vielzahl von Hüllelementen, welche eine Hülle aufweisen und im Inneren die Wärmerohrstruktur nebst einem darin sich bereits befindlichen Fluid. Die Hülle wird in geeigneter Weise in einem nachfolgenden Verfahrensschritt zerstört oder geöffnet oder aufgelöst etc. Alternativ kann ggf. auch auf eine Hülle verzichtet werden, da das Fluid in der Kapillarstruktur, beispielsweise durch die Kapillarwirkung, in geeigneter Weise ausreichend gehalten wird und so transportiert werden kann. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Volumen vollständig mit der Struktur bzw. mit einer Struktur zum Erzeugen einer Kapillarwirkung ausgefüllt werden soll.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Bauteilabschnitt ein Abschnitt oder eine Komponente bzw. ein Bereich eines größeren Bauteils, beispielsweise eines Gussbauteils, insbesondere eines Motoraggregats, wie einer Verbrennungskraftmaschine oder einer elektrischen Maschine.
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Grundsätzlich gilt, dass das Bauteil oder der Bauteilabschnitt in seiner Gesamtheit mittels des additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein kann. Alternativ kann aber auch eine Kombination mit anderen Fertigungsverfahren stattfinden. Beispielsweise wird der Bauteilabschnitt, umfassend das Volumen, oder ggf. auch mehrere, mittels des additiven Fertigungsverfahrens hergestellt, um dann in einem weiteren Prozessschritt, beispielsweise in einem Gießverfahren, umgossen zu werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Bauteil ein Kurbelgehäuse einer Verbrennungskraftmaschine, wobei zwischen den Zylinderbohrungen des Kurbelgehäuses Wärmerohrstrukturen, insbesondere die Volumina zur Kühlung, ausgebildet oder angeordnet sind. Die Wanddicken dieser hochbelasteten Bereiche sind äußerst gering und betragen nur wenige Millimeter. Der vorgeschlagene Ansatz ermöglicht vorteilhafterweise eine Realisierung von Wärmerohrstrukturen in diesen hochbelasteten Bereichen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils oder eines Bauteilabschnitts, umfassend die Schritte:
- - Erzeugen eines Bauteils oder eines Bauteilabschnitts mit zumindest einem abgeschlossenen Volumen, welches eine Struktur zum Erzeugen einer Kapillarwirkung aufweist, mittels eines additiven Fertigungsverfahrens;
- - Einbringen eines Fluids in das noch offene Volumen.
Das Fluid kann direkt während der Ausbildung bzw. Herstellung des Volumens eingebracht werden, insbesondere also in flüssiger Form. Alternativ wird ein geeignetes Trägermedium zum Einbringen verwendet. Weiter alternativ kann das Fluid in fester Form eingebracht werden.
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Entsprechend umfasst das Verfahren gemäß einer Ausführungsform den Schritt:
- - Verwenden eines Trägermediums zum Einbringen des Fluids.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Trägermedium eine feste oder steife Wandung auf. Wie bereits erwähnt, kann das Trägermedium eine Vielzahl von Behältern, Beuteln, Kapseln, Kugeln, Kügelchen oder dergleichen umfassen. Insbesondere handelt es sich hierbei um Hüllelemente, welche im Inneren das flüssige Fluid aufweisen bzw. transportieren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Fluid beim Einbringen kugel-, partikel- oder pulverförmig.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Einbringen des Fluids im festen Aggregatzustand.
Die Änderung des Aggregatzustands kann insbesondere durch entsprechende Temperatureinwirkung erreicht werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht ein unkompliziertes Handhaben und Einbringen des Fluids. Ein nachträgliches Verflüssigen kann beispielsweise automatisch durch ein Erwärmen auf Raumtemperatur stattfinden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Öffnen, Zerstören oder Verflüssigen des Trägermediums durch mechanisches, akustisches und/oder thermisches Einwirken.
Ein Verflüssigen kann beispielsweise durch geeignete Energieeinwirkung erfolgen, insbesondere Wärmeenergie. Ein Trägermedium bzw. die vorgenannten Hüllen können beispielsweise durch mechanisches Einwirken aufgebrochen oder zerstört werden. Ebenso kann über Schallwellen eine Anregung erfolgen, welche ein Öffnen oder Zerstören bewirkt.
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Die im Zusammenhang mit dem Bauteil oder Bauteilabschnitt erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend für das Verfahren sowie umgekehrt.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen von Bauteilen bzw. Bauteilabschnitten mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine Ausführungsform eines Bauteilabschnitts während dessen Herstellung;
- 2: den aus der 1 bekannten Bauteilabschnitt während eines späteren Verfahrensschritts;
- 3: eine schematische Ansicht eines Kurbelgehäuses in einer Draufsicht.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Bereich eines Bauteilabschnitts 10, wobei dieser ein Volumen 20 umfasst. Dieses Volumen 20 weist eine Struktur zum Erzeugen einer Kapillarwirkung auf, insbesondere also eine Kapillarstruktur oder allgemein eine Wärmerohrstruktur. Das Bauteil bzw. der Bauteilabschnitt 10 ist noch nicht vollständig hergestellt, vgl. diesbezüglich auch die 2. Schematisch dargestellt ist, dass in das noch nicht fertig gestellte Volumen 20 über ein Trägermedium 40, vorliegend schematisch durch eine Vielzahl von schwarzen Kreisflächen dargestellt, ein Fluid, insbesondere das Arbeitsmedium für das durch das Volumen dargestellte Wärmerohr, eingebracht wird. Die schwarzen Kreisflächen stehen stellvertretend für beispielsweise kleine Beutel oder Kapseln, welche im Inneren das flüssige Fluid transportieren bzw. aufweisen. Alternativ stellen die schwarzen Kreisflächen das sich im festen Aggregatszustand befindliche Fluid dar. Dadurch dass das Fluid bzw. das Arbeitsmedium während der Herstellung des Bauteils 10 bzw. des Volumens 20 bzw. der Wärmestruktur 22 eingebracht wird, kann auf das Vorsehen etwaiger Füllungs- oder Zuführkanäle für das Fluid/Arbeitsmedium verzichtet werden.
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2 zeigt das aus der 1 bekannte Bauteil bzw. den Bauteilabschnitt 10. Das Volumen 20 ist insoweit fertiggestellt und geschlossen. Bezugszeichen 60 bezeichnet schematisch eine Energieeinwirkung, welche dazu verwendet wird, beispielsweise das feste Fluid zu verflüssigen. Alternativ kann über die Energieeinwirkung, mechanisch, akustisch und/oder beispielswiese thermisch das Trägermedium aufgelöst, geöffnet oder zerstört etc. werden, um das darin befindliche flüssige Fluid freizusetzen. In der vorliegenden schematischen Darstellung der 1 und 2 ist das Volumen 20 vollständig mit der Struktur 22 versehen. Das Trägermedium 40 ist vorliegend sozusagen in die Struktur 22 eingebettet. Hierbei kann es vorteilhaft ein, wenn das Trägermedium 40 selbst als Kapillarstruktur ausgebildet ist. Bevorzugt ist aber auch das Volumen 20 nicht vollständig mit der Struktur 22 gefüllt, sondern beispielsweise lediglich im Bereich seiner Innenwandung, sodass im Inneren ein Freiraum übrig bleibt. Dieser kann mit Vorteil zur Anordnung eines wie auch immer ausgebildeten Trägermediums genutzt werden.
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3 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Bauteil 10, wobei hier insbesondere skizzenhaft ein Kurbelgehäuse 80 in einer Draufsicht, entlang der Zylinderbohrungen 82 (3-Zylinder) gesehen, dargestellt ist. Die dünnen Stege zwischen den Zylinderbohrungen 82 sind vorliegend mit Wärmerohrstrukturen bzw. Volumina 20, welche vorliegend als Kühlkanäle 84 fungieren, ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bauteil, Bauteilabschnitt
- 20
- Volumen
- 22
- (Kapillar-)Struktur
- 40
- Trägermedium
- 60
- Energieeinwirkung
- 80
- Kurbelgehäuse
- 82
- Zylinderbohrung
- 84
- Kühlkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016113620 A1 [0002]
