DE102023119687A1

DE102023119687A1 - System und verfahren zum lokalisieren und verbinden von teilbereichen, die durch additive herstellung ermöglicht werden

Info

Publication number: DE102023119687A1
Application number: DE102023119687.1A
Authority: DE
Inventors: Adam John Campbell; Ali Shabbir; Dale Miller
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-12-08
Filing date: 2023-07-25
Publication date: 2024-06-13
Also published as: US20240190078A1; CN118163372A

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren zum Bedrucken von Teilabschnitten eines Teils mit integrierten Positionierungs- und Verbindungsmerkmalen bereitgestellt. Ein System zum Verbinden von Teilabschnitten eines Teils mit mindestens zwei getrennten Abschnitten umfasst ein Fixierungsmerkmal und ein Verbindungsmerkmal. Das Fixierungsmerkmal umfasst Strukturen, die einstückig mit den Abschnitten ausgebildet sind, um sie relativ zueinander zu positionieren. Das Verbindungsmerkmal umfasst Strukturen, die einstückig mit den Abschnitten ausgebildet sind, um die Abschnitte miteinander zu verbinden.

Description

EINFÜHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf die Herstellung komplexer dreidimensionaler Teile durch additive Fertigung mit integrierten Positionierungs- und Verbindungsmerkmalen und insbesondere auf große additiv gefertigte Teile aus mehreren Abschnitten mit Positionierungs-, Verbindungs- und anderen Merkmalen, die in der Lage sind, Oberflächen mit A- und B-Seiten-Integrität zu erhalten.
Additive Fertigungs- oder 3D-Drucktechnologien haben sich aufgrund ihrer wünschenswerten Eigenschaften wie Effizienz und Flexibilität durchgesetzt. Es wurden verschiedene Arten von 3D-Drucktechnologien entwickelt, um Objekte aus Metall- und Polymermaterialien herzustellen. Die verschiedenen 3D-Drucktechnologien umfassen im Allgemeinen eine Aufbaufläche, ein Materialzufuhrsystem, ein Energiezufuhrsystem und ein Steuerungssystem. Die Aufbaufläche stellt eine Referenzfläche dar, auf der das Material schichtweise aufgebracht wird, um das Teil entsprechend den Konstruktionsdetails sukzessive aufzubauen. Das Materialzufuhrsystem sorgt für die Ablage eines Ausgangsmaterials, z. B. in Form von Partikeln, Fasern oder Fäden, das mit der zuvor aufgebrachten Schicht verschmolzen wird. Das Energiezufuhrsystem fügt dem Ausgangsmaterial vor, während und/oder nach der Abscheidung Energie zu, um das Material zu verflüssigen und in das zu erstellende Teil zu verschmelzen. Das Steuersystem steuert jedes der anderen Systeme beim Aufbau des zu erstellenden Objekts, z. B. entsprechend der Definition der mathematischen Daten.
Styling und A-Oberfläche sind Begriffe, die im Produktdesign verwendet werden und bedeuten, dass die Oberfläche eines Bauteils glatt (ästhetisch) oder für das menschliche Auge sichtbar ist, nachdem das Teil montiert wurde. Eine A-Oberfläche oder A-Seiten-Oberfläche ist die sichtbare Oberfläche eines Produkts, die mit dem Ziel des Stylings entworfen wurde, ein ästhetisches Aussehen zu haben. Die A-Fläche eines Bauteils hat im Allgemeinen eine glatt konturierte Seite, die nach dem Zusammenbau des Teils für das menschliche Auge sichtbar ist und eine Oberfläche mit kontinuierlicher Krümmung darstellt. Die A-Oberfläche kann eine ausgewählte Krümmungskontinuität und Textur aufweisen und ist im Allgemeinen frei von Merkmalen wie Bearbeitungsspuren, Rippen, Stempelmarken, Unregelmäßigkeiten usw. Die Beibehaltung des Aussehens einer A-Oberfläche wird bevorzugt. Dementsprechend ist eine Oberfläche der Klasse A eine sichtbare Oberfläche mit einem ästhetischen Aussehen, das ansprechend sein soll. Eine Klasse-A-Oberfläche wird so hergestellt, dass sie genau den dreidimensionalen mathematischen Daten eines Bauteils entspricht. Die B-Oberfläche ist die der A-Oberfläche gegenüberliegende Seite eines Teils und kann beim Zusammenbau zu einem Endprodukt verdeckt oder teilweise verdeckt sein. B-Seiten-Oberflächen haben im Allgemeinen geringere ästhetische Qualitäten als A-Seiten-Oberflächen. Allerdings kann die Oberflächenqualität bei bestimmten B-Seiten-Oberflächen eine Rolle spielen.
Obwohl die additive Fertigung immer häufiger eingesetzt wird, gibt es Größenbeschränkungen, da die Drucker nur ein begrenztes Bauvolumen haben. Dementsprechend lassen sich große Teile möglicherweise nicht durch additive Fertigung herstellen. Bei Anwendungen mit Teilen, die größer sind als das Bauvolumen eines additiven Fertigungssystems, würden Systeme und Verfahren zur effizienten und effektiven Größenanpassung Vorteile bringen.
Dementsprechend ist es wünschenswert, große Komponenten und Teile durch additive Fertigung effizient herzustellen und dabei ein hohes Maß an Fixierungsgenauigkeit und Oberflächenqualität beizubehalten. Darüber hinaus werden weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und dem vorangehenden technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich.
BESCHREIBUNG
Es werden Systeme und Verfahren zum Bedrucken von Abschnitten eines Teils mit integrierten Positionierungs- und Verbindungsmerkmalen bereitgestellt. Ein System zum Verbinden von mindestens zwei separaten Teilabschnitten umfasst ein Fixierungsmerkmal und ein Verbindungsmerkmal. Das Fixierungsmerkmal umfasst Strukturen, die integral mit den Abschnitten ausgebildet sind, um sie relativ zueinander zu positionieren. Das Verbindungsmerkmal umfasst Strukturen, die einstückig mit den Abschnitten ausgebildet sind, um die Abschnitte sicher miteinander zu verbinden.
In weiteren Ausführungsformen hat das Teil eine Dicke zwischen zwei Flächen, die in entgegengesetzte Richtungen weisen. Sowohl das Fixierungsmerkmal als auch das Verbindungsmerkmal befinden sich innerhalb der Dicke zwischen den Flächen.
In weiteren Ausführungsformen hat das Teil eine komplexe Oberfläche, d. h. die Oberfläche ist um etwa neunzig Grad gekrümmt, und die Oberfläche hat eine glatte Kontur. Mehrere Abschnitte des Teils folgen der Oberfläche über die glatte Kontur entlang einer Naht. Das Fixierungsmerkmal und das Verbindungsmerkmal sind beide entlang der Naht ausgerichtet und in ausgewählten Winkeln angeordnet, um die Maßanforderungen zu erfüllen.
In weiteren Ausführungsformen ist eine Platte vorgesehen, die in das Fixierungsmerkmal mindestens eines der Abschnitte eingreift.
In weiteren Ausführungsformen hat die Platte einen Umfang, und um den Umfang herum ist ein gestufter Rand ausgebildet.
In weiteren Ausführungsformen umfasst das Fixierungsmerkmal eine gestufte Öffnung im ersten Abschnitt und eine weitere gestufte Öffnung im zweiten Abschnitt.
In weiteren Ausführungsformen umfasst das Verbindungselement einen Stab mit einem vergrößerten Kopf an einem Abschnitt und einen weiteren Stab mit einem anderen vergrößerten Kopf am anderen Abschnitt.
In weiteren Ausführungsformen umfasst das Ausrichtungsmerkmal einen Stift an einem Abschnitt und eine Öffnung im anderen Abschnitt.
In weiteren Ausführungsformen bestehen die Abschnitte aus Teilen des Teils, die vor der Formgebung durch Drucken mittels additiver Fertigung konstruktiv getrennt werden.
In weiteren Ausführungsformen werden die Abschnitte an einer Naht verbunden. Das Verbindungsmerkmal umfasst ineinander greifende, entlang der Naht ausgerichtete Verbinder, die eine Vielzahl komplexer Verriegelungsmerkmale aufweisen, die entlang der Naht zusammenpassen und eine präzise Positionierung ermöglichen.
In einer Reihe anderer Ausführungsformen umfasst ein Verfahren die Aufteilung eines Teils vor der Formgebung, um ein Design mit mindestens zwei separaten Abschnitten zu erhalten. Ein Fixierungsmerkmal wird als mit den Abschnitten integrierte Fixierstrukturen ausgebildet. Das Fixierungsmerkmal fixiert die Abschnitte relativ zueinander. Ein Verbindungsmerkmal ist in Form von Verriegelungsstrukturen ausgebildet, die mit den Abschnitten integriert sind. Das Verbindungsmerkmal verriegelt die Abschnitte miteinander, wenn die Abschnitte durch das Fixierungsmerkmal relativ zueinander angeordnet sind.
In weiteren Ausführungsformen ist das Teil so geformt, dass es eine Dicke zwischen zwei Flächen aufweist, die in entgegengesetzte Richtungen weisen. Sowohl das Fixierungsmerkmal als auch das Verbindungsmerkmal befinden sich innerhalb der Dicke zwischen den Oberflächen.
In weiteren Ausführungsformen ist das Teil so definiert, dass es eine komplexe Oberfläche hat, d. h. die Oberfläche ist um etwa neunzig Grad gekrümmt und hat eine glatte Kontur. Die Abschnitte werden so geformt, dass sie der Oberfläche über die glatte Kontur entlang einer Naht folgen. Sowohl das Fixierungsmerkmal als auch das Verbindungsmerkmal sind entlang der Naht ausgerichtet.
In weiteren Ausführungsformen greift eine Platte in das Fixierungsmerkmal der Abschnitte ein.
In weiteren Ausführungsformen ist die Platte mit einem Rand versehen, und um den Rand herum ist eine gestufte Kante ausgebildet.
In weiteren Ausführungsformen werden eine gestufte Öffnung in einem Abschnitt und eine weitere gestufte Öffnung in einem anderen Abschnitt als Fixierungsmerkmal ausgebildet.
In weiteren Ausführungsformen sind die Verbindungselemente als Stab mit einem vergrößerten Kopf an einem Abschnitt und als weiterer Stab mit einem weiteren vergrößerten Kopf an einem anderen Abschnitt ausgebildet.
In weiteren Ausführungsformen sind ein Stift an einem Abschnitt und eine Öffnung in einem anderen Abschnitt als Ausrichtungsmerkmal enthalten.
In weiteren Ausführungsformen werden die Abschnitte bei der Konstruktion als Teile des Bauteils und vor der Formung des Bauteils durch Drucken mittels additiver Fertigung geteilt. Ein Abschnitt wird aus einem ausgewählten Material und der zweite Abschnitt aus einem anderen Material hergestellt, bevor die verschiedenen Materialabschnitte zusammengefügt werden.
In einer Reihe weiterer Ausführungsformen weist ein Teil ein Muster mit einer komplexen Oberfläche auf. Das Muster ist in mindestens zwei separate Abschnitte unterteilt, die eine Naht zwischen den Abschnitten entlang der komplexen Oberfläche bilden. Ein Fixierungsmerkmal umfasst eine Struktur, die mit jedem der Abschnitte integriert ist. Die Strukturen sind so konfiguriert, dass sie die Abschnitte relativ zueinander fixieren. Ein Verbindungsmerkmal umfasst zusätzliche Strukturen, die einstückig mit jedem der Abschnitte ausgebildet sind. Die zusätzlichen Strukturen sind so konfiguriert, dass sie die Abschnitte an ihren jeweiligen Positionen miteinander verriegeln.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beispielhaften Ausführungsformen werden im Folgenden in Verbindung mit den folgenden Figuren beschrieben, wobei gleiche Ziffern gleiche Elemente bezeichnen und wobei:

1 ist ein Diagramm eines additiven Herstellungsprozesses gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2 ist eine perspektivische Darstellung eines Bauteils für die Herstellung nach dem Verfahren von 1 gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
3 ist eine Detaildarstellung eines Teils der Baugruppe von 2 mit zusammengefügten Abschnitten, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
4 ist eine perspektivische, fragmentarische Darstellung eines Fixierungsmerkmals für zwei Abschnitte eines Teils gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
5 ist eine perspektivische Schnittansicht mit dem Fixierungsmerkmal von 4, das zur Positionierung von zwei Abschnitten eines Teils in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen verwendet wird;
6 ist eine detaillierte Draufsicht auf abnehmbare Fixier- und Verbindungselemente gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
7 ist ein System zum Positionieren und Verbinden von Abschnitten eines Teils gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
8 ist eine Draufsicht auf ein Fixierungs- und Verbindungssystem gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
9 ist ein Schnitt durch die Linie 9-9 von 8, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
10 ist eine perspektivische Schnittdarstellung eines Fixierungs- und Verbindungssystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
11 ist eine Schnittdarstellung eines Befestigungsbereichs von 10 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die Anwendung und den Gebrauch nicht einschränken. Darüber hinaus besteht nicht die Absicht, durch eine ausdrückliche oder stillschweigende Theorie gebunden zu sein, die in dem vorangehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellt ist.
In 1 ist ein Verfahren 100 zur additiven Fertigung schematisch dargestellt. Im Allgemeinen beginnt das Verfahren 100 mit dem Entwurf eines herzustellenden Teils und, beispielsweise wenn das Teil physisch zu groß ist, um in einem Stück hergestellt zu werden, mit der Aufteilung 102 des Entwurfs in Abschnitte, die Fragmente des Teils definieren, die in die additive Fertigungsmaschine passen. So kann das betreffende Teil beispielsweise durch dreidimensionale mathematische Daten definiert werden, die in Abschnitte unterteilt werden können. Nachdem die ursprünglichen mathematischen Daten der Teilekonstruktion in Abschnitte aufgeteilt wurden, umfasst der Prozess 100 die Konstruktion 104 integraler Fixierungs- und Verbindungsmerkmale in den Abschnitten. Da die aus den aufgeteilten mathematischen Daten erstellten Abschnitte zusammengefügt werden müssen, nutzt die vorliegende Offenbarung die Möglichkeiten der additiven Fertigung, um Merkmale einzubeziehen, die das Positionieren, Halten, Verbinden und Zusammenhalten der separat gedruckten Abschnitte erleichtern. In der vorliegenden Offenbarung umfassen die Fixierungsmerkmale jene Strukturelemente, die dabei helfen, zwei oder mehr Komponenten relativ zueinander auszurichten und sie in die für die Montage vorgesehene Position zu bringen. Zu den Verbindungsmerkmalen gehören die Strukturelemente, die zwei oder mehr Bauteile aneinander befestigen und sie in ihrer vorgesehenen Montageposition zueinander halten.
Das Verfahren 100 umfasst das individuelle Drucken von 106 Abschnitten einschließlich der integrierten Positionierungs- und Verbindungsmerkmale. Ein additives Fertigungssystem kann auch als 3D-Drucksystem bezeichnet werden und umfasst im Allgemeinen ein Energiezufuhrsystem in Form einer Wärmequelle, die von einem beliebigen wärmeerzeugenden Typ sein kann, ein Materialabscheidungssystem, eine Baukammer mit einer Bauplattform. In der vorliegenden Ausführungsform kann das additive Fertigungsverfahren 100 einen Drucker vom Typ additive Fertigung/3D-Drucksystem umfassen. In anderen Ausführungsformen können auch andere additive Fertigungsverfahren verwendet werden, wie Stereolithographie, digitales Lichtverfahren, Lasersintern, selektives Laserschmelzen, Herstellung laminierter Objekte, Poly-Jet, Multi-Jet-Fusion, Elektronenstrahlschmelzen oder andere. Es ist klar, dass die zu druckenden Abschnitte aus einem Polymermaterial, einem Metallmaterial und/oder einer Kombination verschiedener Materialtypen bestehen können, je nach den Anforderungen an Design und Haltbarkeit des Teils. Dementsprechend kann das gewählte 3D-Druckverfahren auf die für die Herstellung der Abschnitte des Teils gewählten Materialien zugeschnitten sein.
Das Verfahren 100 umfasst das Positionieren und Verbinden 108 der Abschnitte des Teils, die im Druckschritt 106 gedruckt wurden. Die integrierten Positionierungs- und Verbindungsmerkmale des Drucks 106 werden verwendet, um die Abschnitte des Teils relativ zueinander zu positionieren. Die betreffenden Teilabschnitte können in Verbindung mit einem sekundären Fügeverfahren wie Kleben oder Ultraschallschweißen verbunden werden. Zum Beispiel bietet eine Überlappungsverbindung (wie in 7, 10 und 11 gezeigt) einen Oberflächenbereich zum Verkleben der Abschnitte oder zur Aufnahme von Ultraschallschweißungen. Die gedruckten Verbindungselemente können verwendet werden, um das Teil in der richtigen Ausrichtung für den sekundären Verbindungsvorgang zu sichern. Die aufgedruckten integrierten Fixier- und Verbindungsmerkmale 106 können auch dazu verwendet werden, die Abschnitte des Teils ohne zusätzliche Mittel zur Befestigung der Abschnitte aneinander zu sichern. Es sollte gewürdigt werden, dass die aufgedruckten integralen Fixier- und Verbindungsmerkmale 106 die Notwendigkeit von Hitze oder mechanischen Methoden zur Befestigung der Abschnitte aneinander überflüssig machen und die Möglichkeit der Entstehung von Oberflächenabweichungen vermeiden können. Die Verwendung von Schweißnähten, Klebstoffen, Befestigungselementen, Gesenkschmieden, Sicken, Crimpen usw. kann beispielsweise zu Materialzugaben oder -abzügen führen, die sich auf die Oberflächenqualität des Teils auswirken. Da diese zusätzlichen Fertigungsschritte nicht erforderlich sind, führt das Verfahren 100 zu qualitativ hochwertigen Oberflächen sowohl auf der A- als auch auf der B-Seite des montierten Teils.
In 2 ist ein nach dem Verfahren 100 hergestelltes Teil 110 dargestellt. In dieser Ausführungsform hat das Teil 110 eine komplexe Oberfläche 112, d. h. die Oberfläche 112 ist nicht eben, sondern hat glatte Konturen und eine Krümmung in drei Dimensionen, wobei zwei beliebige Punkte auf der Oberfläche 112 in jeder der drei Dimensionen (z. B. in x-, y- und z-Richtung) voneinander abweichen. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Teil 110 in vier Abschnitte 114, 116, 118 und 120 unterteilt. Die Größe der Abschnitte 114, 116, 118 und 120 richtet sich nach der maximalen Fertigungsfläche des ausgewählten additiven Fertigungssystems, und die Konstruktionsdaten des Teils 110 werden entsprechend unterteilt. In dieser Ausführungsform sind die Abschnitte 114, 116, 118, 120 in Größe und Form ähnlich zueinander. In anderen Ausführungsformen können Größe und Form der einzelnen Abschnitte in Abhängigkeit von der Auswahl der Verbindungslinien sowie der Form und Größe des Teils variieren.
Das Teil 110 hat ein integriertes System von Fixier- und Verbindungsmerkmalen 122, das in die einzelnen Abschnitte 114, 116, 118, 120 eingedruckt ist. Ein Fixierungsmerkmal 121 in Form eines Systems aus Stift 124 und Loch 126 ist enthalten. Unter Ausnutzung der Krümmung des Teils 110 enthält der „obere“ Abschnitt 116 den Stift 124 und jeder der anderen Abschnitte 114, 118, 120 enthält Löcher 126. Ein optionaler Schritt beim Zusammenbau der Abschnitte 114, 116, 118, 120 besteht darin, die Löcher 126 der Abschnitte 114, 118, 120 auszurichten und dann den Stift 124 des Abschnitts 116 durch die ausgerichteten Löcher 126 zu schieben. Diese anfängliche Positionierung vereinfacht den Zusammenbau der verschiedenen Abschnitte 114, 116, 118, 120.
Die Abschnitte 114, 116, 118, 120 können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Das System der Fixier- und Verbindungselemente 122 bietet den Vorteil, dass eine Materialkompatibilität für das Schweißen oder Kleben als Sekundärprozesse nicht erforderlich ist. So kann zum Beispiel ein Abschnitt aus Nylon unter den Abschnitten 114, 116, 118, 120 aus Gründen der Kostenoptimierung, der Steifigkeit und der Dimensionsstabilität eingefügt werden, und ein Abschnitt aus Polypropylen kann unter den Abschnitten 114, 116, 118, 120 eingefügt werden, damit zusätzliche Teile an den gewünschten Stellen angeschweißt werden können.
Zu den weiteren Fixier- und Verbindungsmerkmalen des Teils 110 gehören mehrdimensionale Gruppen von ineinander greifenden Verbindungsstücken 131-142. Die ineinander greifenden Verbindungselemente 131-142 sind entlang der überlappenden Verbindungen 144, 146 der Abschnitte 114, 116, 118, 120 ausgerichtet. Mit dem Stift 124 in den Löchern 126 werden die Abschnitte 114, 116, 118, 120 durch Ausrichten und Verbinden der ineinandergreifenden Verbinder 131-142 weiter zusammengesetzt. Beispielsweise können die Verriegelungsverbinder 133, 140, 134, 139, die dem Fixierungsmerkmal 121 am nächsten liegen, zuerst in Eingriff gebracht werden, gefolgt von den weiter entfernten Verbindern, in der Reihenfolge ihres Abstands.
Einzelheiten zu den Verriegelungsverbindern 131-142 werden durch den in 3 dargestellten repräsentativen Satz 132 veranschaulicht. Die Positionierungs-/Verbindungsmerkmale der Verriegelungsverbinder 131-142 können je nach den Abmessungsanforderungen in einem beliebigen Winkel positioniert/angeordnet werden. In diesem Fall umfasst der Abschnitt 116 einen Satz von drei Aufnahmen 151-153 und der Abschnitt 114 einen Satz von drei Steckern 155-157, die in die Aufnahmen 151-153 eingesteckt werden. Die Aufnahmen 151-153, z. B. die Aufnahme 151, umfassen parallele gebogene Streifen 158, 159, die eine Aufnahme 160 bilden. Die Stecker 155-157, z. B. der Stecker 155, umfassen einen länglichen Stab 162 mit einem vergrößerten Kopf 164, der in die Aufnahme 160 einrastet und von den gebogenen Streifen 158, 159 gehalten wird. Die Aufnahmen 151-153 und die Stopfen 155-157 sind innerhalb der Dicke 165 des Teils 110 (z. B. 3 Millimeter) angeordnet. Dementsprechend werden die Abschnitte 114, 116, 118, 120 durch die Fixier- und Verbindungselemente des Teils 110 ohne zusätzliche, störende Verbindungsmittel fixiert, gehalten und zusammengehalten. Dadurch bleibt die Oberflächenintegrität des Teils 110 sowohl auf seiner A-Seite 168 als auch auf seiner B-Seite 166 erhalten.
Wie in 4 dargestellt, umfasst ein Fixierungssystem 170 eine Platte 172, die im Allgemeinen eine rechteckige Form mit abgeschrägten Ecken hat und eine abgestufte Kante 174 um ihren gesamten Umfang 176 aufweist. Die Platte 172 wird zunächst in einen Abschnitt 178 eines Teils 180 in einer Aufnahme 182 eingesetzt, die eine komplementäre Form aufweist. Ungefähr die Hälfte der Platte 172 ragt aus dem Abschnitt 178 heraus, um mit einem angrenzenden Abschnitt des Teils 180 zusammenzuwirken. 5 zeigt einen Teil des angrenzenden Abschnitts 184, der über der Platte 172 aufgenommen wird. Die abgestufte Kante 174 passt in eine komplementäre abgestufte Öffnung 186 im Abschnitt 184, die die Abschnitte 184 und 178 relativ zueinander fixiert. Die abgestufte Kante 174 passt in die abgestufte Öffnung 186 und führt die Abschnitte 178, 184 zusammen, wenn die Platte 172 zunächst in die Aufnahme 182 eingesetzt und der Abschnitt 184 dann über die Platte 172 bewegt wird. Die Platte 172 kann getrennt von den Abschnitten 178, 184 hergestellt werden, oder sie kann, z. B. durch Bedrucken, integral mit einem der Abschnitte 178, 184 hergestellt werden.
6 zeigt ein Fixier- und Verbindungssystem 200 mit Platten 202, 204, die sowohl Fixier- als auch Verbindungsmerkmale aufweisen. Die Platten 202, 204 sind so dargestellt, dass sie zwei Abschnitte 206, 208 eines Teils 210 verbinden. Der Abschnitt 206 ist mit einer abgestuften Verbindungskante 212 bedruckt, und der Abschnitt 208 ist mit einer abgestuften Verbindungskante 214 bedruckt, die so geformt ist, dass sie mit der Verbindungskante 212 zusammenpasst, um den Abschnitt 208 zunächst relativ zum Abschnitt 206 zu fixieren. Während des Zusammenbaus können die Platten 202, 204 in den Abschnitt 206 eingesetzt werden und dann kann der Abschnitt 208 mit der Verbindungskante 214 ausgerichtet werden, die mit der Verbindungskante 212 ausgerichtet ist, und dann kann der Abschnitt 208 auf die Platten 202, 204 bewegt werden.
Die Platten 202, 204 weisen sowohl Ausrichtungs-/Positionierungs- als auch Verbindungs-/Halteelemente auf. Die Platten 202, 204 können beispielsweise abgestufte Kanten aufweisen, ähnlich wie in den dargestellt. Die Platten 202 und 204 sind im Wesentlichen identisch, unterscheiden sich jedoch aufgrund von Verpackungsbeschränkungen in ihrer Größe, so dass die Platte 204 im Detail beschrieben wird, wobei davon ausgegangen wird, dass die gleichen/ähnlichen Merkmale auch für die Platte 202 gelten. Die Platte 204 umfasst einen Umfang 220 mit einer Clipöffnung 222 und einer weiteren Clipöffnung 224 an ihrem der Clipöffnung 222 gegenüberliegenden Ende. Seitlich, relativ zur Clipöffnung 222 der Platte 204, befinden sich zwei Entlastungsschlitze 226, 228, die der Platte 204 um die Clipöffnung 222 herum eine gewisse Flexibilität verleihen. Wenn die Platte 204 in den Abschnitt 206 eingesetzt wird, ermöglichen die Entlastungsschlitze 226, 228 eine Biegung des Bereichs der Platte 204 um die Clipöffnung 222. Der Abschnitt 206 enthält einen einteilig aufgedruckten Vorsprung 230, der in der Clipöffnung 222 aufgenommen wird. Der Vorsprung 230 hat einen Steg 232 und einen vergrößerten Kopf 234. Die Platte 204 umfasst gekrümmte Streifen, die um den vergrößerten Kopf 234 herum einrasten und die Platte 204 im Abschnitt 206 festhalten.
Die Platte 204 weist außerdem seitlich, relativ zur Clipöffnung 224, zwei Entlastungsschlitze 240, 242 auf, die der Platte 204 um die Clipöffnung 224 herum ein gewisses Maß an Flexibilität verleihen. Wenn der Abschnitt 208 auf die Platte 204 aufgesetzt wird, ermöglichen die Entlastungsschlitze 240, 242 eine Biegung des Bereichs der Platte 204 um die Clipöffnung 224. Der Abschnitt 208 umfasst einen einteilig aufgedruckten Vorsprung 250, der in der Clipöffnung 224 aufgenommen wird. Der Vorsprung 250 hat einen Steg 252 und einen vergrößerten Kopf 254. Die Platte 204 umfasst gekrümmte Streifen, die um den vergrößerten Kopf 254 herum eingeklipst werden und den Abschnitt 208 auf der Platte 204 und relativ zum Abschnitt 206 ohne zusätzliche Haltemittel festhalten.
Ein kombiniertes oder hybrides Positionierungs- und Verbindungssystem 260 ist in 7 dargestellt, auf das die Aufmerksamkeit gelenkt wird. Das Positionierungs- und Verbindungssystem 260 umfasst Platten 262, 264 und ein ineinander greifendes Verbindungsstück 266. Die Platten 262, 264 können integrale Überlappungsverbindungselemente des Abschnitts 268 sein. Die Platten 262, 264 können beliebige und/oder alle der oben beschriebenen Merkmale der Platte 172 aufweisen. Die Platten 262, 264 sorgen für die Positionierung/Ausrichtung zwischen den Abschnitten 268, 269 eines Teils 270. In dieser Ausführungsform erstrecken sich die Platten 262, 264 von der Verriegelungsverbindung 266. Zwischen dem Abschnitt 268 und dem Abschnitt 269 befindet sich eine Naht 272. Der Verriegelungsverbinder 266 ist an der Naht 272 angeordnet und umfasst eine Aufnahme 274, die einstückig mit dem Abschnitt 269 ausgebildet ist, und einen Stecker 277, der einstückig mit dem Abschnitt 268 ausgebildet ist.
Die Aufnahme 274 umfasst parallele gebogene Streifen 276, 278, die eine Aufnahme 280 bilden. Der Stecker 277 umfasst einen länglichen Stab 279 mit einem vergrößerten Kopf, der in die Aufnahme 280 einrastet und von den gebogenen Streifen 276, 278 gehalten wird. Die Platten 262, 264 und der ineinander greifende Verbinder richten die Abschnitte 268, 269 aus, fixieren sie und halten sie zusammen, indem sie die Abschnitte 268, 269 über eine elastische Mittelwertbildung präzise positionieren, während die additive Fertigung einzigartige Merkmale wie integrierte Positionierer und Verriegelungen ermöglicht. Die Vielzahl komplexer Verriegelungsmerkmale, die entlang der Naht 272 ineinandergreifen, ermöglicht eine präzise Positionierung. Die elastische Mittelwertbildung kann als spezielles Fixierungsmerkmal verwendet werden.
Wie in den 8 und 9 dargestellt, umfasst ein Positionierungs- und Verbindungssystem 300 integrierte, eingedruckte Merkmale der Abschnitte 302, 304 des Teils 306. Ein Nahtbereich 308 zwischen den Abschnitten 302, 304 umfasst eine abgestufte, überlappende Struktur, in der sich die Abschnitte 302, 304 übereinander erstrecken, wobei eine gleichmäßige Dicke 310 des Teils 306 beibehalten wird. Der Nahtbereich 308 ist zwischen einer Vorderkante 312 des Abschnitts 304 und einer Vorderkante 314 des Abschnitts 302 definiert. Die Vorderkanten 312, 314 weisen abgestufte Profile auf, um die Positionierung der Abschnitte 302, 304 relativ zueinander zu unterstützen. Wenn die Abschnitte 302, 304 während des Zusammenbaus zusammengebracht werden, überlappen sich die Vorderkanten 312, 314 und führen die Abschnitte 302, 304 in eine Position relativ zueinander, um eine Positionierungsfunktion zu gewährleisten. Wenn die Vorderkante 312 in eine Aufnahmestufe 316 des Abschnitts 302 und die Vorderkante 314 in eine Aufnahmestufe 318 des Abschnitts 304 eingreift, können Verriegelungsmerkmale 321-324 in Eingriff gebracht werden, die die Abschnitte 302, 304 aneinander sichern. Das in 9 gezeigte Verriegelungselement 324 umfasst beispielsweise eine Aufnahmeöffnung 328 im Abschnitt 302 und einen Stopfen 330 am Abschnitt 304. Der Stopfen 330 weist einen vergrößerten Kopf für Haltezwecke auf. Durch Einrasten des Stopfens 330 in die Aufnahmeöffnung 328 werden die Abschnitte 302, 304 miteinander verriegelt, während die Merkmale innerhalb der Dicke 310 des Teils 306 verborgen bleiben. Dadurch bleiben die Oberflächen 332, 334 in ihrem ursprünglichen Zustand erhalten, ohne dass dem Material etwas hinzugefügt oder entnommen wird.
Wie in den 10 und 11 dargestellt, umfasst ein integriertes Fixier- und Verbindungssystem 400 ein Teil 402 mit einem Abschnitt 404 und einem Abschnitt 406. Die Abschnitte 404, 406 können separat bedruckt werden. Der Abschnitt 406 umfasst integrierte Bolzen 411-414, die mit dem Abschnitt 406 und mit Gewinden zur Aufnahme von Muttern 421-424 bedruckt sind. Das Teil 402 hat eine komplexe Form mit einer wesentlichen Krümmung von etwa neunzig Grad in einer Dimension und einer wesentlichen Krümmung von etwa neunzig Grad in einer zweiten Dimension. Die Naht 430 zwischen den Abschnitten 404, 406 krümmt sich über die etwa neunzig Grad und enthält Biegungen durch zusätzliche Übergänge von etwa neunzig Grad. Dadurch bilden die Abschnitte 404, 406 an der Naht 430 eine Fläche 432, die im dreidimensionalen Raum in viele verschiedene Richtungen weist. Die von der Oberfläche 432 abstehenden Stifte 411-414 erstrecken sich ebenfalls in vier sehr unterschiedliche Richtungen. In einer Reihe von Ausführungsformen wäre es schwierig und unpraktisch, die Stifte 411-414 integral mit dem Abschnitt 404 zu formen, wenn nicht die Verfahren der vorliegenden Offenbarung zur additiven Fertigung von Abschnitten eingesetzt würden. Die Sicherung der Abschnitte 404, 406 zusammen wäre auch schwierig bis unpraktisch ohne die Verwendung der Muttern 421-424. Die Muttern 421-424 haben verjüngte Enden, die den Kontakt mit der Oberfläche 432 minimieren und deren Verformung verringern. Wenn die Abschnitte 404, 406 von 10 sekundär verbunden werden, z. B. mit Klebstoff, können die Muttern 421-424 nach dem Aushärten des Klebstoffs mit dem/den Abschnitt(en) 404, 406 verklebt werden. Die minimale Oberfläche der Muttern 421-424 reduziert die potenzielle Oberfläche für die Verklebung der Muttern 421-424 mit dem/den Abschnitt(en) 404, 406 und erleichtert den Scherungsvorgang, wenn eine Mutter 421-424 auf einen Bolzen oder mehrere Bolzen 411-414 geklebt wird und eher abgeschnitten als abgeschraubt werden muss.
Nach dem Anziehen der Muttern 421-424 werden diese entfernt, z. B. durch Abscheren, wobei ein glattes Profil der Oberfläche 432 zurückbleibt. Wie in 11 dargestellt, kann nach dem Abscheren das konische Ende 434 der Mutter 421 in der Oberfläche 432 eingebettet bleiben, wobei die ringförmige Spitze 436 auf dem Bolzen 411 verbleibt und die Abschnitte 404, 406 miteinander verbindet. Darüber hinaus kann eine sekundäre Verbindungsmethode verwendet werden, um die Abschnitte 404, 406 zu befestigen, nachdem die Muttern 421-424 abgeschert worden sind. Die integrierten Befestigungselemente der Bolzen 411-414 und/oder die Muttern 421-424 können verwendet werden, um die Abschnitte 404, 406 für den sekundären Verbindungsvorgang zu fixieren.
Dementsprechend können große Teile gedruckt werden, indem Abschnitte mit integrierten Fixier- und Halteelementen gedruckt und diese Abschnitte ohne Verformung der Teileoberflächen zusammengefügt werden. Alle Fixier- und Verbindungsmerkmale können innerhalb der verfügbaren Teiledicke untergebracht werden, wobei die Oberflächen des Teils addiert oder subtrahiert werden, so dass bündige Oberflächen entstehen. Im Wesentlichen bieten die In-situ-Merkmale Fixierungs-, Positionierungs-, Halte- und Verbindungsfunktionen, die, anders ausgedrückt, das Ausrichten und Sichern/Halten umfassen. Maßliche Ungenauigkeiten und Oberflächenverformungen werden vermieden, so dass die A- und B-Seiten-Oberflächen eines Teils mit den dreidimensionalen mathematischen Daten ihrer Konstruktion übereinstimmen.
Durch die hierin offenbarten Ausführungsformen können große Teile mit komplexen Oberflächen in Abschnitten mit integrierten Positionierungs- und Verriegelungsmerkmalen für den Zusammenbau von Komponenten gedruckt werden, was eine genaue Positionierung der Teile unter Beibehaltung der Oberflächenqualität der Teile ermöglicht. Die Überbeanspruchung der Komponenten und/oder die elastische Mittelwertbildung ermöglichen eine präzisere Positionierung der Komponenten, und die additive Fertigung ermöglicht einzigartige Merkmale wie integrierte Fixier- und Verriegelungsvorrichtungen.
Obwohl in der vorangegangenen detaillierten Beschreibung mindestens eine beispielhafte Ausführungsform vorgestellt wurde, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass es eine Vielzahl von Varianten gibt. Es sollte auch gewürdigt werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Offenbarung in irgendeiner Weise zu begrenzen. Vielmehr soll die vorstehende detaillierte Beschreibung dem Fachmann einen praktischen Leitfaden für die Umsetzung der beispielhaften Ausführungsform oder der beispielhaften Ausführungsformen an die Hand geben. Es versteht sich von selbst, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und Anordnung von Elementen und/oder Schritten vorgenommen werden können, ohne dass der Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren gesetzlichen Äquivalenten dargelegt ist, beeinträchtigt wird.

Claims

Ein System, das Folgendes umfasst: ein Teil mit mindestens zwei getrennten Abschnitten, darunter ein erster Abschnitt und ein zweiter Abschnitt; ein Fixierungsmerkmal, das Fixierungsstrukturen enthält, die einstückig mit mindestens einem von dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ausgebildet sind, um den ersten Abschnitt relativ zu dem zweiten Abschnitt zu lokalisieren; und ein Verbindungsmerkmal mit Verriegelungsstrukturen, die einstückig mit mindestens einem der ersten und zweiten Abschnitte ausgebildet sind, um den ersten Abschnitt relativ zum zweiten Abschnitt zu verriegeln, wenn der erste und der zweite Abschnitt durch die Fixierungsstrukturen lokalisiert sind.
System nach Anspruch 1, wobei: das Teil eine Dicke zwischen einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche aufweist, die in einer der ersten Oberfläche entgegengesetzten Richtung liegt, und das Fixierungsmerkmal und das Verbindungsmerkmal beide innerhalb der Dicke zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche enthalten sind.
System nach Anspruch 1, wobei: das Teil eine komplexe Oberfläche aufweist, d. h. die Oberfläche ist um etwa neunzig Grad gekrümmt, die Oberfläche eine glatte Kontur aufweist, sowohl der erste Abschnitt als auch der zweite Abschnitt folgen der Oberfläche über die glatte Kontur entlang einer Naht, und das Fixierungsmerkmal und das Verbindungsmerkmal beide entlang der Naht ausgerichtet sind und in ausgewählten Winkeln angeordnet, um die Abmessungsanforderungen zu erfüllen.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Platte, die mit dem Fixierungsmerkmal des ersten und/oder des zweiten Abschnitts in Eingriff steht.
System nach Anspruch 4, wobei die Platte einen Umfang aufweist, wobei eine gestufte Kante vollständig um den Umfang herum ausgebildet ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Fixierungsmerkmal eine erste abgestufte Öffnung in dem ersten Abschnitt und eine zweite abgestufte Öffnung in dem zweiten Abschnitt umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsmerkmal umfasst: eine erste Stange mit einem ersten vergrößerten Kopf auf dem ersten Abschnitt; und eine zweite Stange mit einem zweiten vergrößerten Kopf auf dem zweiten Abschnitt.
System nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Abschnitt an einer Naht verbunden sind, wobei das Verbindungsmerkmal ineinandergreifende Verbinder umfasst, die entlang der Naht ausgerichtet sind und eine Vielzahl von komplexen Verriegelungsmerkmalen bereitstellen, die entlang der Naht zusammenpassen und eine präzise Fixierungsmöglichkeit bieten.
Ein Verfahren zum Verbinden von Teilabschnitten, wobei das Verfahren umfasst: Aufteilung eines Teils in mindestens zwei separate Abschnitte, einschließlich eines ersten und eines zweiten Abschnitts; Ausbilden eines Fixierungsmerkmals in Form von Fixierungsstrukturen, die mit dem ersten und dem zweiten Abschnitt integriert sind; Fixierung des ersten Abschnitts relativ zum zweiten Abschnitt durch das Fixierungsmerkmal; Ausbilden eines Verbindungsmerkmals als Verriegelungsstrukturen, die mit dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt integriert sind; und Verriegeln des ersten Abschnitts relativ zum zweiten Abschnitt durch das Verbindungsmerkmal, wenn der erste und der zweite Abschnitt durch das Fixierungsmerkmal relativ zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend: Formen des Teils, so dass es eine Dicke zwischen einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche aufweist, die in eine der ersten Oberfläche entgegengesetzte Richtung weist; und die das Fixierungsmerkmal und das Verbindungsmerkmal beide innerhalb der Dicke zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche enthält.