DE112018001284T5

DE112018001284T5 - Verfahren zur herstellung von dehnwellengetriebe-flexsplines mittels additiver metallfertigung

Info

Publication number: DE112018001284T5
Application number: DE112018001284.0T
Authority: DE
Inventors: C. Hofmann Douglas; M. Pate Andre
Original assignee: California Institute of Technology CalTech
Current assignee: California Institute of Technology CalTech
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2019-11-28
Also published as: KR20190119154A; US11839927B2; WO2018165662A1; JP2020512482A; US20220055114A1; US11198181B2; US20180257141A1

Abstract

Es werden Verfahren zur Herstellung von Dehnwellengetriebe-Flexsplines aus Metall mittels einer spezialisierten additiven Metallfertigungstechnik bereitgestellt. Das Verfahren erlaubt es, den gesamten Flexspline im Metalldruck zu drucken, einschließlich aller Komponenten: der Ausgangsoberfläche mit Passmerkmalen, der dünnen Wand des Bechers und der in dem Flexspline integrierten Zähne. Der Flexspline kann direkt nach dem Entfernen aus der Bauschale verwendet werden.

Description

ERKLÄRUNG ZUR STAATLICHEN FÖRDERUNG
Die hierin beschriebene Erfindung wurde bei der Ausführung von Arbeiten im Rahmen eines NASA-Vertrags NNN12AA01C gemacht und unterliegt den Bestimmungen des öffentlichen Rechts, Public Law 96-517 (35 USC 202), bei dem der Auftragnehmer sich dafür entschieden hat, das Eigentum zu behalten.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Verfahren zur Herstellung von Dehnwellengetrieben mittels der additiven Fertigungstechnologie.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Dehnwellengetriebe, auch bekannt als Harmonic Drives (HDs), sind Getriebesysteme, die auf die elastische Biegung eines seiner Elemente angewiesen sind. Typischerweise hat ein Dehnwellengetriebe zwei Sätze von leicht versetzten Getriebezähnen, die sich durch die Biegung einer der Getriebekomponenten treffen und das Drehmoment übertragen. Dementsprechend können diese Getriebesysteme hohe Untersetzungsverhältnisse, hohe Drehmoment-zu-Gewicht- und Drehmoment-zu-Volumen-Verhältnisse, nahezu vollständige Spielfreiheit (das den potenziellen Verschleiß der Komponenten mindert) und eine Vielzahl anderer Vorteile bieten. So sind beispielsweise viele der vorteilhaften Eigenschaften von HDs für den Einsatz in Roboteranwendungen entscheidend, und tatsächlich werden HDs in der Robotik häufig als Verfahren zur Erzielung hoher Untersetzungen und zur Übertragung von Antriebskräften eingesetzt. Ganz besonders umfassen die vorteilhaften Eigenschaften und Merkmale von HDs unter anderem: Hochgeschwindigkeitsuntersetzungen von 1:30 bis 1:320 (bezogen auf Getriebesysteme), die ein hocheffizientes Getriebe ohne komplexe Mechanismen bereitstellen; nahezu vollständige Spielfreiheit; extrem hohe Präzision; hohe Drehmomentkapazität durch die Verwendung von ermüdungsbeständigem Stahl in der Flexspline-Komponente; hohe Effizienz und eine geringe Anzahl von Komponenten, die leicht zu montieren sind. Darüber hinaus können HDs alle diese Zielvorgaben in einem sehr kleinen Formfaktor erreichen und sehr leicht sein.
Aufgrund verschiedener funktionsspezifischer Einschränkungen wurden übliche Dehnwellengetriebe weitgehend aus Stahl mithilfe maschineller Bearbeitung hergestellt. In einigen Fällen, wenn die Festigkeit der Materialien zugunsten niedrigerer Herstellungskosten geopfert werden kann, werden Harmonic Drives aus thermoplastischen Materialien hergestellt, wie beispielsweise Polymeren, die in die Gestalten der einzelnen Komponenten gegossen werden können, auch mithilfe kostengünstiger Spritzgussprozesse.
Additive Metallfertigung, auch bekannt als 3D-Druck, ist eine aufstrebende Fertigungstechnologie, die schnell in kommerzielle Anwendungen integriert wird, wie etwa die Herstellung von Düsen in Flugzeugen und Raketenmotoren. Die gängigsten Formen der additiven Metallfertigung basieren entweder auf Pulverbettsystemen oder Pulverzuführsystemen. Beim 3D-Druck auf Basis von Pulverbettsystemen schmilzt ein Laser- oder Elektronenstrahl eine dünne Schicht Metallpulver und trägt sie kontinuierlich auf, um das Teil zu konstruieren, das im Pulver eingraben wird. Die gebräuchlichsten Formen von Pulverbettsystemen sind das Direkt-Metall-Lasersintern (DMLS, Direct Metal Laser Sintering) oder das Selektive Laserschmelzen (SLM, Selective Laser Melting). Im Gegensatz dazu wird in Drucksystemen, welche auf Pulverzuführsystemen basieren, Metallpulver in einen Laser- oder Elektronenstrahl geblasen und als Metallbad abgeschieden. Darüber hinaus gibt es 3D-Drucksysteme, bei denen ein Metall ohne Pulverbett direkt von einem Baukopf abgeschieden wird. Solche bettlosen Technologien werden als Gerichtete Energiedeposition (DED, Directed Energy Deposition) bezeichnet, deren häufigste Form die Laserkonstruktions-Endgestaltgebung (LENS, Laser Engineered Net Shaping) ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der Erfindung sind auf Verfahren zur Herstellung eines Dehnwellengetriebe-Flexsplines ausgerichtet.
Viele Ausführungsformen von Verfahren zur Fertigung von Flexsplines verwenden ein additives Metallfertigungssystem, um eine Gesamtheit des Dehnwellengetriebe-Flexsplines einstückig zu bilden, wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline ein zylindrischer Becher ist, der Folgendes beinhaltet:

einen Boden, der einen Umfang definiert, eine Becherwand, die oberhalb des Bodens angeordnet ist und ein zylindrisches Volumen definiert, und Getriebezähne, die auf einer oberen äußeren Oberfläche des Randes der Becherwand angeordnet sind, wobei die Becherwand eine Dicke zwischen 0,05 und 2 mm aufweist und wobei die Becherwand eine Höhe aufweist, die mindestens 50 mal größer als die kleinste Dicke der Becherwand ist; und wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline in einer vertikalen Orientierung hergestellt wird, sodass der Boden auf einer Bauplattform angeordnet ist und die Becherwand zu jeder Zeit während der Herstellung senkrecht zur Bauplattform des additiven Metallfertigungssystems orientiert ist, und die Eigenschaften des Dehnwellengetriebe-Flexsplines in einer einzelnen Abscheideschicht gleich und axialsymmetrisch sind.

In weiteren Ausführungsformen wird der Dehnwellengetriebe-Flexspline zur Stützung während der Herstellung nur am Boden an der Bauplattform befestigt und der Becherwand wird bei der Herstellung kein Stützmaterial hinzugefügt.
In wieder weiteren Ausführungsformen sind die Merkmalsgrößen des Dehnwellengetriebe-Flexsplines kleiner als 1 mm in der Abmessung.
In wiederum weiteren Ausführungsformen ist das additive Metallfertigungssystem ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: PulverbettSchmelzdruck, Pulverbett-Selektivlaserschmelzen, Direktenergiedepositionsdruck, Metallextrusion, Schmelzfilamentmodellierung, Metallbindemitteleindüsen, Drahtbogen-Additivfertigung, Ultraschall-Additivfertigung, Thermospritz-Additivfertigung, Flüssigkeitseindüsen, Lasersintern, Elektronenstrahl-Freiform, Laserschmelzen oder einer beliebigen Kombination davon.
In noch weiteren Ausführungsformen liegt die Dicke der Becherwand innerhalb von 15 % der Punktgröße des Lasers des additiven Metallfertigungssystems.
In noch weiteren Ausführungsformen wird die Becherwand mittels einer einzelnen Breite der Laserabtastung des additiven Metallfertigungssystems oder eines Einzeldraht-Abscheideextrusionsprozesses hergestellt.
In noch weiteren Ausführungsformen ist mindestens eine der Eigenschaften, der Zusammensetzung oder der Mikrostruktur des Dehnwellengetriebe-Flexsplines gleichförmig in der Richtung parallel zur Bauplattform, variiert aber in der Ausrichtung senkrecht zur Bauplattform.
In noch weiteren Ausführungsformen weist der Dehnwellengetriebe-Flexspline eine horizontal laminierte Struktur auf, sodass der Dehnwellengetriebe-Flexspline eine um 10 % höhere Bruchzähigkeit aufweist als ein Dehnwellengetriebe-Flexspline aus monolithischem Metall.
In noch weiteren Ausführungsformen ist der Dehnwellengetriebe-Flexspline aus einem Material mit einer Bruchzähigkeit zwischen 30 und 150 MPa m^1/2 hergestellt. In einigen solcher Ausführungsformen ist die Bruchzähigkeit des Materials entlang der Richtung senkrecht zur Bauplattform variabel.
In noch weiteren Ausführungsformen liegt die Elastizitätsgrenze des Dehnwellengetriebe-Flexsplines bei 0,1 - 2 %.
In noch weiteren Ausführungsformen beinhaltet der Dehnwellengetriebe-Flexspline mindestens zwei Bereiche mit der gleichen chemischen Zusammensetzung, aber unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, die entlang der Richtung senkrecht zur Bauplattform angeordnet sind.
In noch weiteren Ausführungsformen beinhaltet der Dehnwellengetriebe-Flexspline mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, die entlang der Richtung senkrecht zur Bauplattform angeordnet sind.
In noch weiteren Ausführungsformen beinhaltet ein Getriebezähnebereich des Dehnwellengetriebe-Flexsplines, der die Getriebezähne beinhaltet, ein Material, das sich chemisch, physikalisch oder in beiden vom Rest des Dehnwellengetriebe-Flexsplines unterscheidet, und wobei der Getriebezähnebereich verschleißfester als der Rest des Dehnwellengetriebe-Flexsplines ist.
In noch weiteren Ausführungsformen beinhaltet ein getriebezähneloser Bereich des Dehnwellengetriebe-Flexsplines, der Getriebezähne ausschließt, ein Material, das sich chemisch, physikalisch oder in beiden von dem Getriebezähnebereich des Dehnwellengetriebe-Flexsplines unterscheidet, und wobei der getriebezähnelose Bereich bruchfester als der Rest des Dehnwellengetriebe-Flexsplines ist.
In noch weiteren Ausführungsformen wird ein Material, das bei der Herstellung des Dehnwellengetriebe-Flexsplines verwendet wird, aus dem Baukopf und nicht aus einem Metallbett eingebracht.
In noch weiteren Ausführungsformen verwendet das additive Metallfertigungssystem ein Material in einer der Formen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Pulver, Draht, geschmolzenem Metall, flüssigem Metall, Metall in einem Bindemittel, Metall in löslichen Tinten, in Polymer gebundenem Metall, Blech, einer beliebigen anderen Druckform, die ein vertikales Drucken ermöglicht, oder einer beliebigen Kombination davon.
In noch weiteren Ausführungsformen weisen die Getriebezähne eine vertikal orientierte Krümmung auf.
In noch weiteren Ausführungsformen erfährt der Dehnwellengetriebe-Flexspline einen Nachbearbeitungsprozess, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: chemischer Behandlung zum Glätten der Oberfläche der Getriebezähne und der inneren Oberfläche der Becherwand; mechanischem Schleifen, Abschleifen oder Polieren zur Reduzierung der Oberflächenrauigkeit; Beschichten mit einem anderen Metall; Wärmebehandeln, um eine oder mehrere Eigenschaften zu ändern, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus physikalischen Eigenschaften, Porosität, Temperierung, Ausfällungswachstum und anderen Eigenschaften im Vergleich zum Herstellungszustand; und einer beliebigen Kombination davon.
In noch weiteren Ausführungsformen ist der Dehnwellengetriebe-Flexspline aus einer Legierung, einer Metallglasmasse oder einem Metallglasverbund hergestellt, basierend auf einem oder mehreren Elementen, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Fe, Ni, Zr, Ti, Cu, AI, Nb, Ta, W, Mo, V, Hf, Au, Pd, Pt, Ag, Zn, Ga, Mg oder einer beliebigen Kombination davon.
In noch weiteren Ausführungsformen ist der Dehnwellengetriebe-Flexspline aus einem Metallmatrixverbund hergestellt, wobei der Volumenanteil oder die chemische Zusammensetzung des Metallmatrixverbundes oder beide gleichförmig in der Richtung parallel zur Bauplattform, aber variabel in der Ausrichtung senkrecht zur Bauplattform ist.
In noch weiteren Ausführungsformen ist der Dehnwellengetriebe-Flexspline sowohl aus einer kristallinen Metalllegierung als auch aus einer metallischen Glaslegierung hergestellt, und wobei die beiden Materialien in der Ausrichtung senkrecht zur Bauplattform ausgetauscht sind.
In noch weiteren Ausführungsformen ist der Dehnwellengetriebe-Flexspline aus einer Hochschmelztemperaturlegierung mit einer Schmelztemperatur von mehr als 1500 Celsius hergestellt. In einigen solcher Ausführungsformen ist die Hochschmelztemperaturlegierung Inconel oder eine Legierung, basierend auf einem aus der Liste gewählten Elemente: Nb, Ta, W, Mo, V oder eine beliebige Kombination davon.
In noch weiteren Ausführungsformen können die Getriebezähne eine gekrümmte oder beliebige Gestalt aufweisen, sodass die Leistung des Dehnwellengetriebes für eine bestimmte Anwendung verbessert oder modifiziert werden kann.
Zusätzliche Ausführungsformen und Merkmale sind zum Teil in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt und werden dem Fachmann bei Prüfung der Spezifikation zum Teil deutlich oder können durch die Praxis des offenbarten Gegenstands gelernt werden. Ein vertieftes Verständnis der Beschaffenheit und der Vorteile der vorliegenden Offenbarung kann durch Bezugnahme auf die übrigen Teile der Spezifikation und der Zeichnungen, die einen Teil dieser Offenbarung bilden, erreicht werden.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Verweis auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Daten und Figuren betrachtet werden, wobei:

1 veranschaulicht den Entwurf und die Komponenten eines typischen Harmonic Drives gemäß dem Stand der Technik.
2a-d stellen eine detaillierte Veranschaulichung der Funktionsweise eines Harmonic Drives gemäß dem Stand der Technik bereit.
3 zeigt ein hybrides Stahl/BMG-Dehnwellengetriebe (BMG, bulk metallic glass, Metallglasmasse), wobei die Komponenten des Circular Spline und des Wellengenerators aus herkömmlichem Stahl gefertigt sind und der Flexspline durch Gießen von BMG gemäß dem Stand der Technik hergestellt ist.
4 zeigt Fließlinien, die gemäß dem Stand der Technik zu Rissen in einem aus BMG gegossenen Flexspline führen können.
5 veranschaulicht Flexspline-Getriebezähne, die nicht-ebene Krümmungen gemäß dem Stand der Technik und den Ausführungsformen der Erfindung aufweisen.
6a und 6b veranschaulichen verschiedene Druckorientierungen typischer additiver Fertigungsprozesse gemäß dem Stand der Technik, wobei 6a eine Standardbauplattform eines additiven Pulverbettfusions-(PBF)-Metallfertigungssystems zeigt, wobei Teile in vertikaler (z-Richtung) und horizontaler Druckrichtung gezeigt sind; und 6b ein Schema für einen Pulverbettschmelzdrucker zeigt, wobei Teile in einem Winkel geneigt sind und den Teilen während des Druckens Stützmaterial hinzugefügt wird.
7 stellt ein Bild der Unteransicht eines metallisch gedruckten Stahl-Flexsplines dar und demonstriert die raue Oberflächenbeschaffenheit, die sich aus dem Entfernen des Stützungsmaterials gemäß den Ausführungsformen der Erfindung ergibt.
8 stellt ein Bild eines Flexsplines dar, der gemäß den Ausführungsformen der Erfindung hergestellt wurde, wobei ein Pfeil die Baurichtung bezogen auf die Bauplattform anzeigt.
9a und 9b stellen Bilder bereit, die eine Rissausbreitung zeigen, die sich in einem Flexspline nach dem Stand der Technik bildet.
10 stellt ein Schema der Risshemmung einer laminierten Flexspline-Struktur gemäß den Ausführungsformen der Erfindung bereit.
11 stellt eine Tabelle bereit, die Eigenschaften von Metalllegierungen zeigt, die für die Herstellung der Flexsplines gemäß den Ausführungsformen verwendet werden könnten, sowie die Vielfalt der Eigenschaften, die in solchen Flexsplines erreicht werden können.
12 zeigt einen aktuellen Betrieb eines im Gedruckt-Zustand befindlichen Flexsplines, der in ein komplett montiertes Standard-Dehnwellengetriebe gemäß den Ausführungsformen der Erfindung einbezogen ist.
13a-13d vergleichen Beispiele von üblichen Flexsplines, die gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurden, und Beispiele von Flexsplines, die gemäß den Ausführungsformen der Erfindung hergestellt wurden, wobei 13a die Ober- und Unteransicht von gedruckten (links), gegossenen (mittig) und maschinell bearbeiteten (rechts) Flexsplines vergleicht; 13b vergleicht Mikrometerwerte (Wanddünnigkeit) von Flexsplines, die maschinell bearbeitet (links) und gedruckt (rechts) wurden; 13c zeigt den Unterschied in der Rauigkeit zwischen den Zähnen auf einem gedruckten Flexspline (links) und einem traditionell maschinell bearbeitetem Flexspline (rechts); und 13d zeigt den Unterschied zwischen Flexsplines, die mittels Ausführungsformen der Erfindung (links & mittig) gedruckt wurden, und einem Flexspline mit herkömmlichen Wärme- und Überstreichtechniken (rechts).

DETAILLIERTE OFFENBARUNG
In Hinblick auf die Zeichnungen und Daten werden Verfahren zur leichten und effizienten Herstellung von Metall-Flexsplines für den Einsatz in Harmonic Drives bereitgestellt. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung nicht als erschöpfend anzusehen sind oder die Erfindung auf präzise offenbarte Formen beschränken sollen. Vielmehr wurden die zur Beschreibung ausgewählten Ausführungsformen gewählt, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung zu praktizieren.
Harmonic Drives wurden entwickelt, um die elastische Dynamik von Metallen, insbesondere die Ausdehnung eines Metallringes, zum Eingreifen der Getriebezähne zu nutzen, ohne die elastische Grenze des Ringes zu überschreiten, was zu einer dauerhaften (d. h. plastischen) Verformung führen würde. Zu diesem Zweck besteht ein typischer HD aus drei Komponenten (wie in 1 gezeigt): einem Wellengenerator, einem Flexspline (auch als „innerer Laufring“ bekannt) und einem Circular Spline (auch als „äußerer Laufring“ bekannt). Der Wellengenerator ist ein elliptischer Behälter mit kleinen, in den Außenumfang eingebauten Kugellagern und ist in der Regel an der Eingangswelle befestigt. Wie in der Figur gezeigt, ist der Flexspline selbst ein dünnwandiger Metallbecher mit externen Getriebezähnen an seinem Rand und einer Blende am Boden des Bechers zur Verbindung mit einer Ausgangswelle. Der Circular Spline ist ein Ring mit internen Getriebezähnen und wird in der Regel an einem Gehäuse befestigt. Der Circular Spline hat mehr (z. B. zwei mehr) Zähne als der Flexspline und sein Durchmesser ist etwas größer als der des Flexspline, sodass sie, wenn sie ohne Wellengenerator zusammengestellt würden, konzentrisch wären und ihre Zähne sich nicht berühren würden.
2a bis 2d veranschaulichen den Betrieb eines typischen Harmonic Drives. Wie gezeigt, wird zunächst der Flexspline durch die Bewegung des elliptischen Wellengenerators in eine elliptische Gestalt gebogen, sodass die Flexspline-Zähne in die kooperierenden Zähne des Circular Splines an der Hauptachse der Wellengenerator-Ellipse eingreifen, wobei die Zähne über die Nebenachse der Ellipse hinweg völlig freigegeben sind (2a). Anschließend, während der Wellengenerator im Uhrzeigersinn mit fixiertem Circular Spline rotiert wird, unterliegt der Flexspline einer elastischen Verformung und seine Zahneingriffsposition bewegt sich durch Drehungen bezogen auf den Circular Spline (2b). Wenn der Wellengenerator um 180 Grad im Uhrzeigersinn rotiert, bewegt sich der Flexspline um einen Zahn bezogen auf den Circular Spline gegen den Uhrzeigersinn (2c). Wenn der Wellengenerator schließlich eine Umdrehung im Uhrzeigersinn (360 Grad) rotiert, bewegt sich der Flexspline um zwei Zähne bezogen auf den Circular Spline gegen den Uhrzeigersinn, da der Flexspline zwei Zähne weniger als der Circular Spline hat (2d). Im Allgemeinen wird diese Bewegung als Ausgangsleistung behandelt. Es ist auch zu beachten, dass bei einigen alternativen Anordnungen der Flexspline fest fixiert gehalten wird und der Circular Spline zur Bereitstellung eines Ausgangsdrehmoments verwendet wird.
Dementsprechend kann entnommen werden, dass der Betrieb eines Dehnwellengetriebes besonders nuanciert ist und auf ein sehr präzise ausgeführtes Getriebesystem angewiesen ist. Daher müssen die Geometrien der Bestandteile von Dehnwellengetrieben mit äußerster Genauigkeit hergestellt werden, um den gewünschten Betrieb bereitzustellen. Darüber hinaus müssen die Komponenten der Dehnwellengetriebe aus Materialien hergestellt werden, die die gewünschte Funktionalität bereitstellen können. Insbesondere muss der Flexspline flexibel genug sein, um hochfrequenten periodischen Verformungen standzuhalten, und gleichzeitig stark genug sein, um die Belastungen aufzunehmen, denen das Dehnwellengetriebe voraussichtlich ausgesetzt sein wird.
Ein Material, das nachweislich die erforderlichen Eigenschaften für den Einsatz in Dehnwellengetrieben besitzt, ist Schmiedestahl, der sich auch präzise in die gewünschten Geometrien maschinell bearbeiten lässt. Das maschinelle Bearbeiten von Dehnwellengetriebekomponenten aus Stahl ist jedoch schwierig und sehr teuer, vor allem bei der Fertigung von elliptischen Wellengeneratoren und dünnwandigen Flexsplines. Insbesondere muss die Wand eines Flexsplines dünn genug sein, um sich millionenfach elastisch verbiegen zu können, und dabei zugleich mechanisch robust genug sein, um das Drehmoment zu übertragen. Typischerweise ist die Wand des Flexsplines mindestens < 2 mm dick, in den meisten Fällen < 1,5 mm dick, in vielen Fällen < 1 mm dick und kann bis zu 0,05 mm dick sein. So muss beispielsweise die Wand des Stahl-Flexsplines in einem gängigen CSG-20-Dehnwellengetriebe mit einem Durchmesser von etwa 50 mm (hergestellt von Harmonic Drive) auf eine Dicke von weniger als 0,4 mm maschinell bearbeitet werden. In anderen Fällen von sogar noch kleineren Flexsplines muss die Wand bis zu einer Dicke von 0,15 mm maschinell bearbeitet werden. Darüber hinaus ist das maschinelle Bearbeiten von Schmiedestahl teuer, wobei Komponenten aus einem Block maschinell bearbeitet werden müssen und mehr als 90 % des Ausgangsmaterials als Restabfall verbleiben.
In einigen Fällen werden harmonische Antriebe aus thermoplastischen Materialien hergestellt. Thermoplastische Materialien (z.B. Polymere) können (z. B. mithilfe von Spritzgussprozessen) in die Gestalten der einzelnen Komponenten gegossen werden und umgehen so die teuren maschinellen Bearbeitungsprozesse, die typischerweise bei der Fertigung von stahlbasierten Dehnwellengetrieben eingesetzt werden. Aus Thermoplasten hergestellte Dehnwellengetriebe sind jedoch nicht so stark und verschleißfest wie Dehnwellengetriebe aus Stahl.
Hofmann et al. haben kürzlich offenbart, dass Metallflexsplines aus Metallglasmasse (BMG) in eine endgültige Gestalt gegossen werden können (siehe z. B. U.S. Patentanmeldung. Nr. 14/177608 , deren Offenbarung hierin durch Verweis aufgenommen ist). BMG bezieht sich hier auf eine komplexe, präzise zusammengesetzte Legierung, die bei einer relativ großen Gussdicke (in Allgemeinen über 1 mm) in einen glasartigen Zustand abgeschreckt werden kann. Ganz besonders sind metallische Gläser, auch bekannt als amorphe Legierungen (oder alternativ amorphe Metalle), im Gegensatz zu herkömmlichen metallischen Werkstoffen mit hoch geordneter Atomstruktur, trotz ihrer metallischen Bestandteile durch eine ungeordnete atomare Struktur gekennzeichnet. Darüber hinaus ist ein in-situ Verbund oder Metallglasmassen-Matrixverbund (BMGMC, bulk metallic glass matrix composite) als eine Legierung definiert, die sich beim schnellen Abkühlen (1-1000 K/s) chemisch in zwei oder mehr Phasen unterteilt, wobei die eine amorphe Matrix und die andere(n) kristalline(r) Einschluss(schlüsse) sind. Insofern versteht es sich, dass man in den Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung unter dem Begriff „metallische Materialien auf Glasbasis“ sowohl BMGs als auch BMGMCs versteht. Im Prinzip besitzen metallische Gläser typischerweise eine Reihe von nützlichen Materialeigenschaften, die es ihnen erlauben, als hochwirksame technische Materialien eingesetzt zu werden. So sind beispielsweise metallische Gläser im Allgemeinen viel härter als herkömmliche Metalle und im Allgemeinen zäher als keramische Materialien. BMGs sind zudem relativ korrosionsbeständig und können im Gegensatz zu herkömmlichem Glas eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Wichtig ist, dass sich die Fertigung von metallischen Glasmaterialien für eine relativ einfache Verarbeitung eignet, und insbesondere die Herstellung eines metallischen Glases mit einem Spritzgussverfahren oder einem ähnlichen Gießverfahren kompatibel sein kann, wie Hofmann et al. für einen Flexspline demonstrieren. 3 zeigt beispielsweise ein hybrides Stahl-BMG-Dehnwellengetriebe, bei dem die Komponenten des Circular Spline und des Wellengenerators aus herkömmlichem Stahl gefertigt sind, während der Flexspline aus BMG gegossen ist. Hier passt das BMG-Gussteil direkt in das ansonsten aus Stahl gefertigte Dehnwellengetriebe, um die Hybridgetriebebox zu vollenden.
Die Herstellung von Flexsplines durch Gießen von BMGs nach dem von Hofmann et al. offenbarten Verfahren birgt jedoch auch einige Schwachstellen. Erstens beeinflusst der Gießprozess oft die allgemeinen physikalischen Eigenschaften der zu gießenden Materialien, einschließlich BMGs. Speziell hinterlassen die Turbulenzen in der Schmelze während der Gießinjektion Strömungsmarken (4) und andere Defekte am Gussteil, die wiederum zu einem schwächeren, rissanfälligen Teil führen. In der Tat werden die aus BMGs gegossenen Flexsplines leicht durch den Gießprozess beschädigt. Zweitens ist die dünne Wand eines Flexsplines sehr schwer zu gießen. Im Allgemeinen, wenn die Dicke der Wand weniger als 1 mm beträgt, ist es schwierig, das Fluid in solche kleinen Gießformhohlräume fließen zu lassen, und da die Zerbrechlichkeit der Wände in dieser Abmessung zu einem Versagen beim Entfernen der Gießform führen kann. Drittens können die Getriebezähne von Flexsplines in vielen Fällen ein Profil aufweisen, das nicht eben ist, sondern vielmehr eine Kurve oder eine andere beliebige Gestalt aufweist, wie schematisch in 5 gezeigt. In solchen Fällen sind die Getriebezähne der Flexsplines in vertikaler Richtung leicht gekrümmt, was dazu führen kann, dass das ganze Teil beim Gießen in der Gießform eingeschlossen wird. Dies macht das Gießen von Flexsplines mit solchen gekrümmten Zähnen schwierig oder gar unmöglich. Viertens können die Löcher an der Unterseite des Flexsplines, die für die Befestigung des Flexsplines an den Rotationselementen des HD erforderlich sind, nicht in den Flexspline gegossen werden und müssen in einem späteren Schritt maschinell bearbeitet oder gebohrt werden, wodurch ein zusätzlicher Schritt in der Fertigung von Flexsplines mithilfe von Gießen eingeführt wird.
Eine Fertigungstechnik, die für die Herstellung von Flexsplines nicht erforscht wurde, ist die additive Metallfertigung. Obwohl diese Fertigungstechnologie für den Druck herkömmlicher Getriebe und Getriebezähne bekannt ist, wurde die additive Metallfertigung als ungeeignet für die Herstellung dünnwandiger Strukturen angesehen, bei denen die Höhe der Struktur viel größer ist als die Wanddicke, so wie bei einem HD-Flexspline, bei dem die Becherwand eine Höhe aufweisen kann, die 50 mal (oder mehr) größer als die kleinste Dicke der Becherwand ist. Speziell können bestehende DMLS- und SLM-Pulverbettmaschinen je nach Orientierung des Bauwerks lediglich Leistungstoleranzen von etwa 0,04 bis 0,2 mm erreichen. Zudem beeinflusst die Orientierung, in der ein Teil gedruckt wird, nicht nur die Bauqualität, sondern auch dessen mechanische Eigenschaften. Zu diesem Zweck zeigt 6a eine Standardbauplattform eines additiven Pulverbettfusions-(PBF)-Metallfertigungssystems und verschiedene Orientierungen der Teile, einschließlich der Standing-on-End-(vertikalen)-Bauorientierung, auch z-Richtung des Drucks genannt. Da Oberflächen parallel zur Bauplattform nicht gestützt werden können, erhalten sie zusätzlich eine sehr raue Oberflächenbeschaffenheit, wie beispielsweise in 7 gezeigt.
Um eine glatte Oberfläche wie bei herkömmlichen Techniken zu erreichen, werden ebene Oberflächen dementsprechend in additiven Pulverbett-Metallfertigungsmaschinen in einem Winkel zur Bauplatte positioniert, wie in 6b gezeigt. Die Bau-/Druckorientierung hat daher erhebliche Auswirkungen auf die Fertigung von Flexsplines. Da speziell die Passoberflächen eines Dehnwellengetriebes (d. h. die Eingriffsoberflächen der Zähne des Circular Splines und des Wellengenerators und die Unteroberfläche des Flexsplines, die mit dem Boden des Wellengenerators zusammenpasst) eben und präzise veredelt sein müssen, wäre der herkömmliche Ansatz zur additiven Fertigung dieser Getriebekomponenten, sie während des Druckens in einem Winkel zur Bauplattform zu neigen (wie in 6b gezeigt), um die Unterseitenbeschaffenheit zu verbessern. Das Drucken der Wand und/oder der Zähne des Flexsplines in einem Winkel zur Bauplattform erfordert jedoch den Einsatz von Stützkonstruktionen und -materialien (wie in 6b gezeigt). Das Stützmaterial, das typischerweise auch aus Metall besteht und stark am zu druckenden Objekt haftet und nach der Herstellung entfernt werden muss. Die Entfernung von Stützstrukturen und -materialien nach der Herstellung kann wiederum die empfindlichen Strukturen der Zähne und der Wand des Flexsplines beschädigen und ist daher höchst unerwünscht. Darüber hinaus verändert jegliches Stützmaterial, das an der Wand des Bechers haftet, das Biegeverhalten des Flexsplines. Folglich müssen die Zähne und die Wand des Bechers bei der Herstellung von Flexsplines absolut frei von jeglichem Stützmaterial sein. Darüber hinaus behindert der 3D-Druck von Flexsplines in einem Winkel die Fähigkeit, die perfekte Radialsymmetrie und Getriebezähnekrümmung zu erreichen, die für die Funktionalität von Flexsplines entscheidend sind.
Aufgrund der Mängel dieser herkömmlichen additiven Fertigungsverfahren gelten metallische additive Fertigungsverfahren derzeit als ungeeignet für die Herstellung von Flexsplines und anderen empfindlichen Komponenten für die Herstellung von HDs. Insbesondere umfasst die Flexspline-Fertigung mindestens die folgenden geometrischen Einschränkungen und Überlegungen: (1) eine extreme Dünnheit der Wand des Flexsplines (z. B. < 2 mm oder sogar < 1,0 mm und so niedrig wie 0,05 mm), (2) die erforderliche Ebenheit und Glätte der Passfläche (z. B. die Oberflächen, die mit dem Circular Spline und dem Wellengenerator in Eingriff kommen müssen), (3) die extreme geometrische Präzision der Getriebezähne (z. B. müssen die Zähne mit einer typischen Toleranz von < 100 Mikrometern und der radialen (z-Achse) Gesamtsymmetrie des Flexspline-Bechers gefertigt werden), (4) der Gesamtbedarf an geometrischer Präzision sämtlicher Bauteiloberflächen (z. B. Innenoberflächenzähne des Circular Splines und die Außenzähne des Wellengenerators). Zusätzlich sind bestimmte additive Metallfertigungstechnologien wie etwa die DED oft nicht in der Lage, eine Merkmalgröße zu erreichen, die klein genug ist, um eine Flexspline-Wand oder andere Flexspline-Merkmale mit den erforderlichen Abmessungen zu drucken oder die Getriebezähne in der richtigen Gestalt (wie etwa weniger als 1 mm) zu produzieren. Dementsprechend scheint keine der derzeit verfügbaren Technologien zur additiven Metallfertigung für den Druck von Metallflexsplines geeignet zu sein.
Die gegenwärtige Patentanmeldung richtet sich auf Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung von Dehnwellengetriebe-Flexsplines aus Metall mittels einer speziellen additiven Metallfertigungstechnik. In vielen Ausführungsformen ermöglicht das Verfahren den Metalldruck des gesamten Flexsplines, einschließlich aller Komponenten: der Ausgangsoberfläche mit Passmerkmalen, der dünnen Wand des Bechers und der mit dem Flexspline integrierten Zähne. In vielen Ausführungsformen kann der Flexspline direkt nach dem Entfernen aus der Bauschale verwendet werden. In einigen dieser Ausführungsformen ist die Wand des Flexsplines während des Druckprozesses vertikal auf der Bauplattform orientiert (d. h. senkrecht zu dem anzuwendenden Metallmaterial), wie in 8 gezeigt. Zusätzlich werden in vielen Ausführungsformen die üblichen Bauparameter modifiziert, um die gewünschte Flexspline-Wanddünnheit und die präzise definierten Getriebezähne zu erreichen. In vielen Ausführungsformen ist das Verfahren für den Einsatz mit DMLS, SLM oder anderen derzeit auf dem Markt erhältlichen Systemen gut geeignet. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren mit DED-Systemen verwendet werden, wobei die Größe des Abscheidepunktes eines solchen Systems innerhalb von 15 % der Wanddicke des gewünschten Flexsplines liegt. In einigen Ausführungsformen wird der metallgedruckte Flexspline durch einen mechanischen oder chemischen Veredelungsvorgang weiter veredelt. In vielen Ausführungsformen ist die Gesamtheit des Flexsplines bis zu einer endgültigen oder beinahe endgültigen Gestalt metallgedruckt. In vielen Ausführungsformen ist die Wanddicke des nach dem Verfahren der Patentanmeldung gedruckten Flexsplines lediglich 0,3 mm. In vielen Ausführungsformen ermöglicht das Verfahren der Patentanmeldung eine schnelle, einfache, kostengünstige und abfallarme Herstellung von Flexsplines mit der gewünschten Geometrie. In einigen Ausführungsformen ermöglicht das Verfahren das Drucken mehrerer Flexsplines in einem einzigen Druck. In vielen Ausführungsformen führt das Verfahren der Patentanmeldung zu erheblichen Kosten- und Zeiteinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen maschinellen Metallbearbeitungstechniken.
Die Vorteile des Metalldrucks von Flexsplines gegenüber der maschinellen Bearbeitung sind erheblich, auch wenn die Teilequalität etwas beeinträchtigt wird. So können beispielsweise etwa 18 Flexsplines mit einem Durchmesser von 50 mm auf einmal in weniger als 6 Stunden Bauzeit auf dem EOS M290 3D-Drucker mit einer Standardbauschalengröße gedruckt werden. Im Gegensatz dazu kann eine automatisierte CNC-Bearbeitungsplattform ähnlicher Größe und Kosten nur einen Flexspline auf einmal produzieren, wobei die Bearbeitungszeit bis zu einer Stunde betragen kann und die Ausschussrate über 90% des Materialblocks beträgt.
Ausführungsformen zur Flexspline-Formgebung durch Additive Fertigung
Viele Ausführungsformen sind auf Drucksysteme ausgerichtet, die auf einem Materialabscheideverfahren basieren, das aus der Liste gewählt wurde: Pulverbettfusion-(PBF)-Druck, Direktenergiedepositions-(DED)-Druck, Metallextrusion, Schmelzfilamentmodellierung, Metallbindemittel-Eindüsen, Drahtbogen-Additivfertigung, Ultraschall-Additivfertigung, Thermospritz-Additivfertigung, Flüssigkeitseindüsen, Lasersintern, Elektronenstrahl-Freiform, Laserschmelzen oder eine andere Technik, die verwendet werden kann, um den Flexspline in der vertikalen Orientierung mit den Bauschichten senkrecht zu den Zähnen und mit dem Becher nach oben gerichtet gedruckt werden kann, oder eine beliebige Kombination davon. In vielen dieser Ausführungsformen benutzt das additive Metallfertigungssystem ein Material in einer der aus der Liste gewählten Formen: Pulver, Draht, geschmolzenes Metall, fluides Flüssigmetall, Metall in einem Bindemittel, Metall in löslichen Tinten, Metall in Polymer, Blech, eine beliebige andere Druckform, die vertikales Drucken ermöglicht, oder eine beliebige Kombination davon. In vielen Ausführungsformen ist das Verfahren der Patentanmeldung besonders vorteilhaft für die Herstellung von Flexsplines.
Speziell ermöglicht das Verfahren der Patentanmeldung in vielen Ausführungsformen die Herstellung von Flexspline-Wänden mit Dicken kleiner als 2 mm bis hinunter zu Dicken kleiner als 0,35 mm, um produziert zu werden, ohne dass die Verwendung von Stützpfeilern oder Stützmaterialien über eine untere tragende Bauplatte hinaus erforderlich ist. Tatsächlich ist der Einsatz additiver Fertigungstechniken gemäß Ausführungsformen zur Herstellung von Flexsplines mit Wanddicken unter 2 mm besonders vorteilhaft. In solchen Ausführungsformen liegt die Wanddicke in der Größenordnung des Baustrahls (z. B. Laserpunkt), sodass das einem Laserdurchlauf zugeordnete Schmelzbad etwa gleich breit ist wie die Wand und die Wärmeeinflusszone (oder Prozesszone) in allen Fällen die gesamte Wanddicke umspannt. Das bedeutet, dass die ganze Flexspline-Wand gleichzeitig verarbeitet wird, anstatt in mehreren Durchgängen, in denen kaltes Material mit warmem Material verbunden wird, und die gesamte Dicke der Flexspline-Wand auf einmal erwärmt wird. Dementsprechend ist das Verfahren der Patentanmeldung besonders vorteilhaft für die Herstellung von Flexsplines aus metallischen Glasmaterialien. Speziell ermöglicht das Verfahren die Bildung eines vollamorphen Flexspline-Teils ohne Bedenken hinsichtlich der Wiedererwärmung oder Kristallisierung des metallischen Glasmaterials, wie sie bei anderen thermischen Fertigungstechniken auftreten können, wodurch ein Flexspline mit besseren Eigenschaften erzielt wird.
Um eine ordnungsgemäße Fertigung von Flexsplines gemäß den entsprechenden Toleranzen zu gewährleisten, können viele Ausführungsformen der Fertigungsverfahren für Flexsplines gemäß der Offenbarung einen oder mehrere der folgenden spezifischen Fertigungsparameter beinhalten, die nachfolgend näher erläutert werden:

• Die spezifische Orientierung der Wände des Flexsplines in einer vertikalen Richtung senkrecht zur Bauplatte (z-Richtung).
• Positionieren des Bodens des Bechers des Flexsplines am Boden des Bauwerks, sodass bei der Herstellung keine Überhänge entstehen.
• Sicherstellen, dass jede Schicht der Flexspline-Wand in einem kontinuierlichen, nahtlosen Kreis gebildet wird und so, dass eine Gesamtlaminatstruktur aus gestapelten Schichten gebildet wird.
• Bleiben der Wände des Flexsplines unterhalb einer Dicke, die klein genug ist, sodass das Schmelzbad, das einem Baustrahldurchlauf zugeordnet ist, mindestens die gleiche Größe wie die Wandstärke hat.
• In Fällen, in denen die Optik nicht beweglich ist, Positionieren des Flexsplines so nah an der Mitte der Bauplatte, dass der Baustrahl nicht abgelenkt werden muss und die Rundheit des Flexsplines erhalten bleiben kann.
• Ändern des Materials, des Materialzustands oder des Bauparameters entlang der vertikalen Richtung der Flexspline-Wand, um die Herstellung von Flexsplines mit kundenspezifischen Eigenschaften zu ermöglichen.
• Bilden der Überstreichklinge der additiven Fertigungsvorrichtung aus einem weichen Material (z. B. weicher als herkömmliche Stahlüberstreichklingen), um eine übermäßige Belastung der Flexspline-Wände zu vermeiden. Diese Modifikation an herkömmlichen additiven Fertigungseinrichtungen ist besonders wichtig, wenn dünnwandige Flexsplines gebildet werden, wie im Folgenden näher erläutert wird.

Ausführungsformen unter Einbindung von Vertikalen Bauorientierungen
Zunächst einmal sind viele Ausführungsformen der additiven Fertigungsverfahren von Flexsplines so konfiguriert, dass der Flexspline nach oben gewandt gedruckt wird, mit der dünnen vertikalen Wand parallel zur z-Achse des Bauwerks. Obwohl Orientieren des Flexsplines vertikal zur Bauplattform die untere Becherpassfläche des Flexsplines nach unten zwingt, um Überhänge zu vermeiden, was dazu führt, dass die Passfläche die raueste Oberfläche aufweist, erlaubt eine solche vertikale Bauorientierung die additive Fertigung von Flexsplines und schafft weitere unerwartete Vorteile.
So erlaubt beispielsweise die vertikale Orientierung des Flexsplines während des Herstellungsprozesses das präzise Drucken der Getriebezähne ohne die Notwendigkeit von Stützmaterial an irgendeiner Stelle des Teils, außer an der Unterseite. Zudem ist in einigen Fällen, wenn die Getriebezähne eines Flexsplines ein Profil aufweisen, das nicht eben ist, sondern eine Kurve oder eine andere beliebige Gestalt aufweist (wie in 5 gezeigt), die streng vertikale Orientierung während der Herstellung entscheidend, um die exakt gleiche Krümmung und Krümmungsgestalt mit der exakt gleichen Merkmalsgröße für jeden Zahn und damit einwandfrei funktionierende Flexsplines zu erreichen. Darüber hinaus können solche nicht-flachen Zähne, wie bereits erläutert, mittels anderer Fertigungstechniken schwer zu formen sein. Da ein Flexspline absolut kreisförmig sein muss, stellt der vertikale Druck gemäß dem Verfahren der Patentanmeldung zusätzlich sicher, dass die Wand konzentrisch zu den Getriebezähnen und der Ausgangswelle ist, was für die einwandfreie Funktion eines Flexsplines entscheidend ist. Diese Anforderung an die absolute Rundheit ist so groß, dass in vielen Ausführungsformen, wenn die Optik des Drucksystems nicht bewegt werden kann (z. B. bei Pulverbett-Fusionsdruckern), Ausführungsformen verlangen, den Flexspline in der Nähe der Mitte der Bauplattform zu drucken, um so die Notwendigkeit zu vermeiden, den Baustrahl abzulenken, und dadurch die Rundheit des Flexspline erhalten wird. Im Gegensatz dazu erfordert das Drucken in der Nähe der Ränder der Bauplattform solcher Systeme, dass der Laserstrahl gebogen wird, um den Druckbereich zu erreichen, was wiederum dazu führt, dass der Laserpunkt nicht genau kreisförmig ist.
Darüber hinaus hat, in vielen Ausführungsformen, die vertikale Orientierung des Flexsplines während des Druckens Vorteile in Hinblick auf verbesserte mechanische Eigenschaften für den resultierenden Flexspline. Wie in der Technik der additiven Fertigung bekannt ist, weist das entlang der z-Achse des Drucks gebildete Material in einem 3D-Druckmetallteil eine geringere Duktilität auf als das entlang der x- oder y-Ebenen des Drucks abgeschiedene Material. Da der Betrieb des Flexsplines jedoch hauptsächlich auf der Biegung seiner Wand in horizontaler Richtung (seitwärts) beruht, hat die Materialduktilität entlang der z-Achse des Flexsplines (d. h. die Richtung des Drucks des Flexsplines gemäß den Ausführungsformen der Erfindung) weniger Bedeutung für die Gesamtfunktionalität des Flexsplines.
Zusätzlich führt in vielen Ausführungsformen die vertikale Orientierung des Flexsplines während des Druckens gemäß dem Verfahren der Patentanmeldung zu bruchfesten Flexsplines. Speziell fördert das Verbiegen des Flexspline-Bechers während des Betriebs des Dehnwellengetriebes die Bruchbildung im Becher, wobei die Risse dazu neigen, sich von den Getriebezähne nach unten, zum Boden des Bechers hin, und parallel zur Ausrichtung der Getriebezähne zu bilden. Eine solche Frakturentwicklung ist beispielsweise in den beiden 9a und 9b deutlich zu sehen. Das Herstellungsverfahren der Patentanmeldung erzeugt jedoch den Flexspline, der effektiv in einer rissbeständigen „Laminat“-Struktur vorliegt, die aus einer Vielzahl von vertikal gestapelten 3D-Druckschichten besteht (10). Insbesondere verwandelt vertikales Orientieren des Flexsplines während des Herstellungsprozesses der Patentanmeldung den Flexspline-Becher in eine Laminatstruktur aus vielen dünnen Schichten (z. B. in der Größenordnung von 20 Mikron Dicke). Hier ist zu beachten, dass es in der Technik der additiven Fertigung bekannt ist, dass das Schmelzen von metallischen Materialien während des Abscheideprozesses die Unterschiede zwischen den Abscheideschichten nicht vollständig ausgleicht und dass die Evidenzschichtung in vertikaler Richtung des Bauens erkennbar bleibt. Dieser Effekt kann beispielsweise bei sorgfältiger Betrachtung von 8 und 13c gesehen werden. Dementsprechend sind solche „Laminat“-Strukturen, wie hierin beschrieben, für die Bildung von Flexsplines unerwartet vorteilhaft, da sie resistent gegen einen durch die Schichten wachsenden Riss sind, was es schwierig macht, einen Riss durch das Laminat wachsen zu lassen (siehe beispielsweise Arbeiten an Ti-Al₃Ti-Laminaten von Vecchio et al., deren Offenbarung hierin durch Verweis aufgenommen wird). Insbesondere weist der „laminierte“ gedruckte Flexspline der Patentanmeldung eine mindestens 10 % höhere Bruchzähigkeit auf als ein Flexspline, der vollständig aus einer monolithischen Metalllegierung besteht.
Darüber hinaus erzeugt das vertikale Herstellungsverfahren der Patentanmeldung in vielen Ausführungsformen einen stärkeren Flexspline mit weniger potenziellen Versagensstellen entlang des Körpers. Insbesondere kann in vielen Ausführungsformen, da der Flexspline vertikal gedruckt wird, jede abgeschiedene Materialschicht in einem kontinuierlichen Metallstrang (Ring) ohne Befestigungs-/Fusionspunkte entlang jedes einzelnen Umfangs abgeschieden werden, z. B. ein kontinuierlicher Laserdurchlauf aus geschmolzenem Metall bei Verwendung eines Pulverbettsystems. Folglich gibt es keine Umfangs-„Brüche“ in den in die Flexspline-Rundwand einlaminierten Materialschichten und damit auch keine potenziellen Versagenspunkte. Dabei ist zu beachten, dass 3D-Druckverfahren in der Technik dafür bekannt sind, oft poröse und ähnlich fehlerhafte Strukturen zu erzeugen, und dass daher auch fehlerhafte und schwache Flexsplines zu erwarten sind. Da der Flexspline jedoch durch Biegen des Bechers des Flexsplines in der XY-Ebene betriebsmäßig belastet wird und diese Last auf das Laminat der durchgehenden „Ringe“ aus abgeschiedenem Material (wie hierin beschrieben) angewendet wird, die in ihrem individuellen Umfang keine Herstellungsfehler aufweisen, demonstrieren die gemäß den Verfahren der Patentanmeldung hergestellten Flexsplines unerwartet eine sehr starke Leistung.
Schließlich gibt das vertikale Orientieren des Flexsplines während des Bauens vor, dass der stärkste Teil des Flexsplines (der Boden des Bechers) an der Bauplattform befestigt wird. Die meisten gedruckten Flexsplines müssen in der Nachbearbeitung eine Wärmebehandlung erfahren, um die Oberflächenrauigkeit zu glätten oder andere Oberflächenbehandlungen zu beeinflussen, die dazu neigen, sie zu verziehen. Das vertikale Drucken und Befestigen des robustesten Teils des Flexsplines an der Basis erlaubt jedoch eine sichere Wärmebehandlung dieser Flexsplines, ohne dass es zu einer Verformung der Wand kommt, da der größte Teil der Masse des Flexsplines auf den an der Plattform gesicherten Boden konzentriert ist und eine Überwärmung der empfindlicheren Abschnitte des Flexsplines verhindert.
Ausführungsformen unter Einbindung von Getriebezähnen mit Verbesserter Krümmung
Wie bereits erläutert, sind Fertigungstechniken gemäß bisherigem Stand der Technik benachteiligt, wenn es darum geht, Flexsplines mit Zähnen zu bilden, die kein flaches Profil haben. Das Drucken gemäß Ausführungsformen erlaubt es den Zähnen auf dem Flexspline, ein Profil zu haben, das nicht eben ist, sondern eine Kurve oder eine andere beliebige Form aufweist (wie schematisch in 5 gezeigt). In vielen Ausführungsformen werden Flexsplines, die solche Getriebezähne einbeziehen, vertikal gedruckt, um Fertigungsprobleme zu vermeiden. Bei einer additiven Fertigungstechnik, bei der ein Objekt unter einem Winkel gedruckt wird, wäre es beispielsweise unmöglich, dass jeder Zahn die gleiche Krümmung bei gleicher Merkmalsgröße aufweist. Dementsprechend sind die Getriebezähne in vielen Ausführungsformen nicht eben, sondern haben eine Krümmung. Speziell bedeutet dies, wie in 5 gezeigt, dass die Zähne in vertikaler Richtung wirklich leicht gekrümmt sind. Wie bereits erwähnt, wurde festgestellt, dass das Drucken die einzige Möglichkeit ist, diese Krümmung ohne herkömmliches maschinelles Bearbeiten auf die Getriebezähne aufzubringen. Die vertikale Druckorientierung gemäß den Ausführungsformen vermeidet auch einige der Probleme, die mit horizontalen Baukonfigurationen verbunden sind. So begrenzt beispielsweise das horizontale Drucken mit Pulverbettsystemen die Größe der druckbaren Merkmale durch die mögliche Dicke der Schicht aus Abscheidepulver, die typischerweise etwa 20 Mikron beträgt. Durch das vertikale Drucken ist es möglich, eine wesentlich feinere Auflösung zu erreichen, ohne einen „Stufe“ zu erzeugen. Dies erlaubt die Bildung kleinerer Kurven und anderer Gestalten an den Flexspline-Zähnen, die bei einer anderen Orientierung der Flexsplines nicht möglich wären.
Ausführungsformen unter Einbindung Eingearbeiteter Wärmeeinwirkungszonen
In verschiedenen Ausführungsformen kann die additive Metallfertigung von Flexsplines gemäß dem Verfahren der Patentanmeldung Flexsplines einbinden, die in vertikaler Orientierung hergestellt werden, wobei die Flexspline-Wand mit einem einzigen Durchlauf des Lasers pro Schicht gebaut wird, wodurch Flexsplines von besserer Qualität angeboten werden. Da das einem Laserdurchlauf zugeordnete Schmelzbad etwa in der gleichen Breite wie die Wand vorliegt und die Wärmeeinflusszone (oder Prozesszone) die gesamte Wanddicke umspannt, wird die Gesamtheit der Flexspline-Wanddicke gleichzeitig und nicht in mehreren Durchgängen verarbeitet. Daher ermöglicht das Verfahren der Patentanmeldung, Situationen zu vermeiden, in denen ein kaltes Material an ein warmes Material gefügt wird, und somit wird die gesamte Dicke der Flexspline-Wand auf einmal erwärmt. Zusätzlich ist dies bei der Verwendung von metallischen Glaswerkstoffen besonders vorteilhaft, da es Kristallisationsprobleme vermeidet, die beim Wiedererwärmen solcher metallischen Gläser auftreten können.
In vielen Ausführungsformen ist die additive Metallfertigung von Flexsplines gemäß dem Verfahren der Patentanmeldung schnell. Insbesondere die parallele Orientierung der Passfläche des Flexsplines gegen die Bauplatte, die durch das Verfahren der Patentanmeldung vorgegeben ist, stellt sicher, dass der Großteil der Metallabscheidung zu Beginn des Druckprozesses auftritt. Da der Aufbau der dünnen Wand des Flexsplines so konfiguriert werden kann, dass nur ein Durchlauf des Lasers (der beispielsweise lediglich 0,38 mm in einem EOS M290 beträgt) pro Schicht erforderlich ist, erfordert der vertikale Aufbau des Flexsplines sehr wenig Rasterzeit und ist daher extrem schnell. Zusätzlich führt die Änderung der Maschinenparameter in vielen Ausführungsformen zu einer Flexspline-Wanddicke, die gleich oder kleiner als die Punktgröße des Lasers ist (und in vielen Fällen, in denen die Dicke der Becherwand innerhalb von 15 % der Punktgröße des Lasers des additiven Metallfertigungssystems liegt), was wiederum den Einsatz des Flexsplines in Harmonic Drives direkt nach dem Drucken ermöglicht. In einigen Ausführungsformen werden jedoch Flexsplines mit größerem Durchmesser und proportional dickeren Wänden mit mehr als einem einzigen Durchlauf des Lasers gefertigt.
Ausführungsformen von Additiven Fertigungstechniken unter Einbeziehung Kundenspezifischer Bauparameter
In vielen Ausführungsformen führt die vertikale Orientierung des Flexsplines während der Herstellung des 3D-Drucks dazu, dass jede aufgedruckte Schicht eine radiale Symmetrie bezogen auf die zylindrische Geometrie des Flexsplines aufweist. Daher weist in solchen Ausführungsformen jede einzelne Abscheideschicht im vertikal gedruckten Flexspline durchgängig kontinuierliche Materialeigenschaften überall in der Schicht auf, wobei die Materialeigenschaften durch die benutzerdefinierten Bauparameter, wie z.B. Laserleistung und Materialzufuhrrate, festgelegt sind. Gleichzeitig ermöglichen die 3D-Drucksysteme eine einfache Kontrolle der physikalischen Eigenschaften der Materialien in Richtung ihrer Abscheidung (z-Richtung) beim Drucken, einschließlich mithilfe von Materialmikrostrukturierung.
Speziell können die materialphysikalischen Eigenschaften wie z. B. Körnungsgröße, Zähigkeit, Härte, Bruchzähigkeit, Ermüdungsgrenze, Duktilität und Elastizitätsmodul in z-Richtung des Drucks mithilfe von Einstellungen der Bau-/Abscheideparameter gesteuert und variiert werden. Dementsprechend ermöglicht das Drucken des Flexsplines in z-Richtung gemäß den Ausführungsformen der Erfindung, dass die verschiedenen Abschnitte des Flexsplines entlang der z-Achse unterschiedliche mechanische Eigenschaften besitzen. Da beispielsweise in vielen Ausführungsformen eine größere Körnungsgröße die Bruchzähigkeit und Ermüdungsgrenze eines Materials verbessert, kann diese Eigenschaft leicht (durch Einstellung der Druckparameter) um den Bereich herum eingeführt beziehungsweise erhöht werden, in dem die Flexsplines bei diesen Betriebsarten am wahrscheinlichsten versagen. So kann beispielsweise in einigen Ausführungsformen der gemäß dem Verfahren der Patentanmeldung hergestellte Flexspline über eine höhere Verschleißfestigkeit in der Nähe der Zähne des Flexsplines und über eine höhere Bruchfestigkeit in der dünnen Wand verfügen. Im Gegensatz zu Verfahren, die auf maschineller Metallbearbeitung basieren, ermöglicht das Verfahren der Erfindung daher die Herstellung von Flexsplines mit „funktional gestuften“ Eigenschaften.
In anderen Ausführungsformen ist es durch den Druck des Flexsplines möglich, Mikrostrukturen zu bilden, die nicht durch Gießen oder maschinelles Bearbeiten von Schmiedeblöcken hergestellt werden können. Speziell ermöglichen Ausführungsformen des Verfahrens die Bildung von Flexsplines, die zumindest teilweise aus metallischem Glas oder aus nanokristallinem Metall gebildet sind, da die Abkühlrate sehr hoch ist. Dementsprechend kann der Flexspline Eigenschaften aufweisen, die mit anderen Verfahren nicht erreicht werden können.
Ausführungsformen von Additiven Fertigungstechniken unter Einbeziehung Variabler Materialien
In vielen Ausführungsformen ist das Druckverfahren der Patentanmeldung auf Systeme mit gerichteter Energie (DED) erweiterbar. DED-Systeme bieten zusätzliche Vorteile für das Verfahren der Patentanmeldung, wobei DED-Systeme es ermöglichen, die Materialzusammensetzung in z-Richtung des Druckens zu variieren. Speziell wird bei gerichteten Energiedruckern im Gegensatz zu Pulverbettdruckern das Metall in den Baukopf eingebracht, und daher kann die Zusammensetzung des Metalls in vertikaler z-Richtung verändert werden. Dementsprechend würden DED-Systeme es ermöglichen, verschiedene Bereiche des Flexsplines in unterschiedlichen Materialien zu drucken. Die Tabelle in 11 zeigt beispielsweise die Eigenschaften von sechs Beispielen von Metalllegierungen, die mit dem Verfahren der Patentanmeldung hergestellt werden können. Zu diesen Beispielen gehören: Edelstahl 15-5, Ti-6AI-4V, Nitronic 60 Stahl, Vascomax C300 Maraging-Stahl, Metallglasmasse auf Zr-Basis und Metallglasverbundmasse auf Ti-Basis. Die Tabelle veranschaulicht auch die Kombination von Eigenschaften, die durch das Drucken verschiedener Teile des Flexsplines mit verschiedenen Legierungen gemäß vielen Ausführungsformen erreicht werden können. Als weiteres Beispiel kann bei Verwendung eines DED- oder ähnlich funktionierenden Systems mit geeigneter Laserpunktgröße gemäß den Ausführungsformen der Patentanmeldung ein Flexspline mit Zähnen aus verschleißfestem Maraging-Stahl und einer Wand aus einer Titanlegierung niedriger Dichte hergestellt werden. Als weiteres Beispiel kann ein System vom Typ DED gemäß einigen Ausführungsformen zur Herstellung eines Flexsplines verwendet werden, wobei TiC während des Drucks von und in der Nähe des Getriebezähneabschnitts des Flexsplines mit Ti vermischt wird, um so selektiv in diesem Bereich des Flexsplines einen verschleißfesten Verbund herzustellen. Als weiteres Beispiel wird in einigen Ausführungsformen der Flexspline gemäß dem Verfahren der Patentanmeldung vertikal aus zwei verschiedenen Materialien gedruckt, sodass die Wand aus einem zähen Stahl, wie beispielsweise einer 304L-Legierung, und die Getriebezähne aus einem verschleißfesten Stahl, wie beispielsweise 15-5PH, hergestellt werden. Eine Tabelle mit einer Zusammenfassung der Eigenschaften für exemplarische Materialien ist in 11 bereitgestellt, jedoch haben sich Materialien mit einer Bruchzähigkeit zwischen 30 und 150 MPa m^1/2 und/oder einer elastischen Grenze zwischen 0,1 und 2 % bei der Bildung von Flexsplines gemäß Ausführungsformen als besonders vorteilhaft erwiesen.
Ausführungsformen unter Einbeziehung Exotischer Materialien
In vielen Ausführungsformen ermöglicht das Verfahren der Patentanmeldung die Herstellung von Flexsplines aus allen üblichen Materialien, die derzeit bei der Herstellung von Flexsplines aus Stahl verwendet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Maraging-Stahl, Werkzeugstahl, ausfällungsgehärteter Stahl, kohlenstoffarmer Stahl und kohlenstoffreicher Stahl. Dementsprechend können die nach dem Verfahren der Patentanmeldung hergestellten Flexsplines mit denselben HD-Systemen und mit denselben Entwurfparametern wie die traditionellen Flexsplines aus Schmiedestahl verwendet werden. Zusätzlich ermöglicht das Verfahren der Patentanmeldung in einigen Ausführungsformen die einfache Herstellung von Flexsplines aus Legierungen, die mit den herkömmlichen Verfahren der Flexspline-Herstellung nicht kompatibel sind, wie beispielsweise schwierig oder unmöglich maschinell zu bearbeitende Metalllegierungen oder Legierungen, die in keiner Form größer als Pulver gemacht werden können (wie zum Beispiel Randglas bildende Materialien und nanokristalline Metalle).
Zusätzlich können mit dem Verfahren der Patentanmeldung die spezifischen Eigenschaften von Flexsplines, die aus nicht optimalen Materialien erstellt wurden, weiter verbessert werden, wobei Einstellungen der Druckparameter beispielsweise Materialien härten können, die normalerweise zu weich wären, um gut in einem Flexspline zu funktionieren. Beispielsweise können hochfeste Metalle, wie Titan und Inconel, die typischerweise schwer maschinell zu bearbeiten sind, gemäß dem Verfahren der Patentanmeldung in Flexsplines gedruckt werden. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen das 3D-Druckverfahren der Patentanmeldung verwendet werden, um Flexsplines aus Metallmatrixverbund und Metallglasmassen (auch als amorphe Metalle bekannt) herzustellen, die typischerweise nicht maschinell bearbeitet werden können und in eine endgültige Gestalt gegossen werden müssen. Darüber hinaus werden in einigen Ausführungsformen die Flexplines aus feuerfesten oder anderen Materialien mit hoher Schmelztemperatur, wie Nb-, Ta-, Mo-, W- oder V-Legierungen, gedruckt, die notorisch schwer maschinell zu bearbeiten sind. Die Fähigkeit, die Komponenten aus solchen Legierungen zu drucken, könnte zur Entwicklung von Dehnwellengetrieben führen, die bei extrem hohen Temperaturen arbeiten können und Hochtemperaturanwendungen für Dehnwellengetriebe ermöglichen. Dementsprechend erlaubt das Verfahren des 3D-Druckens in vielen Ausführungsformen die Verwendung von kundenspezifischen Metallen bei der Herstellung von Flexsplines und erlaubt verbesserte spezifische Eigenschaften und Herstellungskosten, besonders im Vergleich zu traditionellen maschinellen Bearbeitungsverfahren.
Ausführungsformen unter Einbeziehung von Veredelungstechniken
In vielen Ausführungsformen können die Flexsplines, die mittels der additiven Metallfertigung der Patentanmeldung erzeugt werden, einen einfachen Veredelungsvorgang erfahren, um die Oberflächenrauigkeit zu verbessern oder eine Maßtoleranz kostengünstig und einfach anzupassen. Dementsprechend können Flexsplines, die gemäß dem Verfahren der Patenanmeldung gedruckt wurden, durch Schleifen oder Fräsen mechanisch veredelt werden, um eine glatte Oberfläche zu erreichen, einschließlich minimales Schleifen, um nur die Rauigkeit von den Getriebezähne zu entfernen. Darüber hinaus können die Flexspline-Oberflächen in vielen Ausführungsformen mit einem der folgenden Prozesse geglättet werden, einschließlich (aber nicht beschränkt auf): einem chemischen Prozess, wie beispielsweise Ätzen; einem mechanischen Veredelungsprozess, wie Wasserstrahlen; Sand- oder Perlstrahlen; oder einer beliebigen Kombination davon. In vielen Ausführungsformen vereinfacht und effektiviert die Radialsymmetrie des nach dem Verfahren der Patentanmeldung vertikal gedruckten Flexsplines auch die Endbearbeitung. So hat beispielsweise die Passfläche des Flexsplines in vielen Ausführungsformen eine axiale Symmetrie und lässt sich leicht drehen. In vielen Ausführungsformen lassen sich die rauen Oberflächen des Flexsplines durch ein chemisches Ätzverfahren, wie beispielsweise die Elektrolyse, leicht glätten, wobei die radiale Symmetrie und die gleichmäßige Dicke des Flexsplines eine gleichmäßige und effektive Ätzung sicherstellen. Darüber hinaus vereinfacht die Radialsymmetrie des Flexsplines in vielen Ausführungsformen auch das maschinelle Endbearbeiten mit einer computergesteuerten numerisch gesteuerten Fräsmaschine (CNC), indem sie dafür sorgt, dass eine gleichmäßige Materialmenge abgetragen wird. Konkretere Beispiele für Behandlungen nach der Herstellung, die die Funktionsfähigkeit von Flexsplines der Patentmeldung verbessern könnten, umfassen unter anderem (sind aber nicht beschränkt auf): chemische Behandlung zum Glätten der Oberfläche der Getriebezähne und der Innenfläche der Becherwand (z.B. zur Reduzierung der Oberflächenrauigkeit auf eine Merkmalsgröße von weniger als 50 Mikrometern); Behandlung mit Abschleifen (beispielsweise mit Sandpapier Körnung 240); mechanisches Schleifen zur Reduzierung der Oberflächenrauigkeit; Poliervorgang (z. B. um die Oberflächenrauigkeit um mindestens 25 % zu reduzieren); Beschichten mit einem anderen Metall; und Wärmebehandeln, um eine oder mehrere Eigenschaften zu ändern, die aus der Gruppe gewählt sind, bestehend aus physikalischen Eigenschaften, Porosität, Temperierung, Niederschlagwachstum und anderen Eigenschaften im Vergleich zum Herstellungszustand; eine beliebige Kombination davon.
In einigen Ausführungsformen bleiben die Flexspline-Oberflächen jedoch kostensparend im Gedrucktzustand und der Flexspline wird ohne Weiterverarbeitung verwendet. In solchen Ausführungsformen ist die Leistung des im Gedrucktzustand befindlichen Flexsplines zwar aufgrund der rauen Oberflächenbeschaffenheit geringer als bei einem maschinell bearbeiteten Flexspline, kann aber dennoch direkt aus dem Drucker heraus verwendet werden, um die Produktionskosten deutlich zu senken. Zu diesem Zweck zeigt 12 einen Montageprozess (links) und den Betrieb eines fertigmontierten Flexspline (rechts), der gemäß Ausführungsformen in 3D gedruckt und zu einem Standard-Dehnwellengetriebe direkt aus dem Drucker heraus ohne maschinelle Bearbeitung montiert wurde. Obwohl der gedruckte Flexspline eine sehr raue Oberfläche hatte, erwies er sich in praktischen Prüfungen immer noch als funktionsfähig.
Wenn neue Metallabscheidetechnologien verfügbar werden, kann die Methode der Patentanmeldung auf andere 3D-Druckverfahren ausgedehnt werden. Wenn verfügbar, ermöglicht beispielsweise der hochauflösende Tintenstrahl-Metalldruck oder der Flüssigmetalldruck, der mit dem Verfahren der Patentanmeldung verwendet wird, die Herstellung eines glatten, präzise ausgeführten Flexsplines, der direkt nach dem Druck ohne Nachbearbeitung verwendet werden kann. Als weiteres Beispiel sind seit kurzem Metalldrucker verfügbar, die sowohl den 3D-Druck als auch die maschinelle CNC-Bearbeitung im gleichen Prozess kombinieren und in vielen Ausführungsformen zur Herstellung und Veredelung von Flexsplines gemäß dem Verfahren der Patentanmeldung verwendet werden können. Speziell kann der Flexspline während der Herstellung mit solchen Systemen vertikal (gemäß dem Verfahren der Patentanmeldung) ausgerichtet werden, um die Vorteile des CNC-Werkzeugbohrers zu nutzen, der sich nur nach oben, unten oder in einem Kreis bewegen kann.
Beispielhafte Ausführungsformen von Gefertigten Flexsplines
Dementsprechend ermöglicht das hierin offenbarte Verfahren in vielen Ausführungsformen eine einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung von Dehnwellengetriebe-Flexsplines mittels additiver Metallfertigung. Aufgrund verschiedener funktionalitätsspezifischer Einschränkungen, die Komponenten von Dehnwellengetrieben und speziell von Flexsplines auferlegt werden (z. B. müssen sie eine hohe Materialtoleranz und glatte Oberflächen aufweisen), und in Hinblick auf die Einschränkungen der Metalldruckfähigkeiten, ist das Verfahren der Patentanmeldung unerwartet und nicht naheliegend. Darüber hinaus erlaubt das Verfahren der Patentanmeldung in vielen Ausführungsformen die Herstellung von Flexsplines aus zuvor für diesen Zweck nicht zugänglichen Legierungen und Materialzusammensetzungen. Zusätzlich ermöglicht das Verfahren der Patentanmeldung in einigen Ausführungsformen einen Materialeigenschaftsgradienten oder einen Materialzusammensetzungsgradienten innerhalb einer Flexspline-Struktur, was mit üblichen maschinellen Stahlbearbeitungsverfahren nicht möglich ist. In vielen Ausführungsformen wird das Verfahren verwendet, um funktionale Flexsplines mit exquisit dünnen Wänden, präzise in endgültiger Gestalt vorliegenden Getriebezähnen und verbesserten mechanischen Eigenschaften wie verbesserter Duktilität effizient herzustellen. Zusätzlich erfordern in vielen Ausführungsformen die gemäß dem Verfahren der Patentanmeldung hergestellten Flexsplines wenig bis gar keine maschinelle Nachbearbeitung oder Veredlungs-Nachbearbeitung. Beispiele für Flexsplines, die gemäß den hier offenbarten Verfahren gefertigt wurden, sind in den 13a bis 13d gezeigt und mit üblichen Flexsplines verglichen.
Insbesondere vergleicht 13a die Ober- und Unteransicht eines gedruckten (links), gegossenen (mittig) und maschinell bearbeiteten (rechts) Flexsplines, wobei das gemäß den Ausführungsformen gedruckte Flexspline das raueste Aussehen aufweist, aber mit Metallen hergestellt werden kann, die schwer maschinell zu bearbeiten oder zu gießen sind und/oder einen Eigenschaftsgradienten in der Richtung vom Boden zu den Zähnen aufweisen können. 13b vergleicht die Mikrometerwerte (d. h. die Wanddicke) eines maschinell bearbeiteten Stahlflexsplines (0,02 Zoll, links) und eines aus Stahl gemäß den Ausführungsformen gedruckten Flexsplines (0,015 Zoll, rechts) und demonstriert, dass das Verfahren der Patentanmeldung eine Dicke erreichen kann, die gleich oder sogar dünner als bei maschinellen Bearbeitungsverfahren ist. Es ist zu beachten, dass eine so geringe Wanddicke nie vollständig mithilfe von Gießverfahren realisiert werden kann. Schließlich zeigt 13c den Unterschied in der Rauigkeit zwischen den Zähnen auf einem gedruckten Flexspline (links) und einem üblichen, maschinell bearbeiteten Flexspline (rechts). Obwohl die Oberfläche des gedruckten Flexsplines viel rauer ist, zeigt sie auch deutlich eine aus den Bauschichten gebildete „Laminat“-Struktur, die senkrecht zur Richtung des erwarteten normalen Versagensmodus verläuft und somit eine höhere Rissfestigkeit impliziert als ein monolithisches Material. Zusätzlich erlaubt das Verfahren der Patentanmeldung das Erreichen komplexer Krümmungen der Zähne, die mithilfe maschineller Bearbeitung schwer zu erreichen sind und mithilfe von Gießen nicht erreicht werden können.
Schließlich zeigt 13d zwei Flexsplines (links und mittig), die gemäß den vorliegenden Ausführungsformen gedruckt wurden, und einen (rechts), der gedruckt wurde, wobei die Lasereigenschaften nicht so modifiziert wurden, um zu gewährleisten, dass die gesamte Flexspline-Wand während jeder Bauschicht durchgehend erwärmt wird, sodass die Wand des Flexsplines bruchfest ist, und wobei eine übliche Hartstahl-Überstreichklinge verwendet wurde. Wie gezeigt, kann diese Kombination in einem katastrophalen Versagen der Flexspline-Wand resultieren.
ÄQUIVALENZLEHRE
Diese Beschreibung der Erfindung wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt. Sie ist nicht beabsichtigt, vollständig zu sein oder die Erfindung auf die beschriebene Form zu beschränken, und viele Änderungen und Variationen sind im Lichte der obigen Lehre möglich. Die Ausführungsformen wurden gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktischen Anwendungen am besten zu erklären. Diese Beschreibung wird es anderen Fachmännern ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen, die für eine bestimmte Verwendung geeignet sind, optimal zu nutzen und zu praktizieren. Der Umfang der Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 14177608 [0038]

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung eines Dehnwellengetriebe-Flexsplines, beinhaltend die Verwendung eines additiven Metallfertigungssystems, um eine Gesamtheit des Dehnwellengetriebe-Flexsplines einstückig zu bilden, wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline ein zylindrischer Becher ist, der Folgendes beinhaltet: einen Boden, der einen Umfang definiert, eine Becherwand, die oberhalb des Bodens angeordnet ist und ein zylindrisches Volumen definiert, und Getriebezähne, die auf einer oberen äußere Oberfläche des Randes der Becherwand angeordnet sind, wobei die Becherwand eine Dicke zwischen 0,05 und 2 mm aufweist und wobei die Becherwand eine Höhe aufweist, die mindestens 50 mal größer als die kleinste Dicke der Becherwand ist; und wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline in einer vertikalen Orientierung hergestellt wird, sodass der Boden auf einer Bauplattform angeordnet ist und die Becherwand zu jeder Zeit während der Herstellung senkrecht zur Bauplattform des additiven Metallfertigungssystems orientiert ist, und die Eigenschaften des Dehnwellengetriebe-Flexsplines in einer einzelnen Abscheideschicht gleich und axialsymmetrisch sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline zur Stützung während der Herstellung nur am Boden an der Bauplattform befestigt ist und der Becherwand während der Herstellung kein Stützungsmaterial hinzugefügt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Merkmalsgrößen des Dehnwellengetriebe-Flexsplines kleiner als 1 mm in der Abmessung sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das additive Metallfertigungssystem ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Pulverbettschmelzdruck, Pulverbett-Selektivlaserschmelzen, Direktenergiedepositionsdruck, Metallextrusion, Schmelzfilamentmodellierung, Metallbindemitteleindüsen, Drahtbogen-Additivfertigung, Ultraschall-Additivfertigung, Thermospritz-Additivherstellung, Flüssigkeitseindüsen, Lasersintern, Elektronenstrahl-Freiform, Laserschmelzen oder einer beliebigen Kombination davon.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Dicke der Becherwand innerhalb von 15 % der Punktgröße des Lasers des additiven Metallfertigungssystems liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Becherwand unter Verwendung einer einzelnen Breite der Laserabtastung des additiven Metallfertigungssystems oder eines Einzeldraht-Abscheideextrusionsprozesses hergestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei mindestens eine der Eigenschaften, der Zusammensetzung oder der Mikrostruktur des Flexsplines des Dehnwellengetriebes in der Richtung parallel zur Bauplattform einheitlich sind, aber in der Ausrichtung senkrecht zur Bauplattform variieren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline eine horizontal laminierte Struktur aufweist, sodass der Dehnwellengetriebe-Flexspline eine 10 % höhere Bruchzähigkeit aufweist als ein Dehnwellengetriebe-Flexspline aus monolithischem Metall.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline aus einem Material mit einer Bruchzähigkeit zwischen 30 und 150 MPa m^1/2 hergestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Bruchzähigkeit des Materials entlang der Richtung senkrecht zur Bauplattform variabel ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Elastizitätsgrenze des Dehnwellengetriebe-Flexsplines im Bereich von 0,1 - 2 % liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline mindestens zwei Bereiche mit der gleichen chemischen Zusammensetzung, aber unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften beinhaltet, die entlang der Richtung senkrecht zur Bauplattform angeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen beinhaltet, die entlang der Richtung senkrecht zur Bauplattform angeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei ein Getriebezähnebereich des Dehnwellengetriebe-Flexsplines, der die Getriebezähne beinhaltet, ein Material beinhaltet, das sich chemisch, physikalisch oder in beiden von dem Rest des Dehnwellengetriebe-Flexsplines unterscheidet, und wobei der Getriebezähnebereich verschleißfester ist als der Rest des Dehnwellengetriebe-Flexsplines.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei ein getriebezähneloser Bereich des Dehnwellengetriebe-Flexspline, der Getriebezähne ausschließt, ein Material beinhaltet, das sich chemisch, physikalisch oder in beiden von dem Getriebezähnebereich der Dehnwellengetriebe-Flexspline unterscheidet, und wobei der getriebezähnelose Bereich bruchfester ist als der Rest des Dehnwellengetriebe-Flexspline.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei ein Material, das bei der Herstellung des Dehnwellen-Flexsplines verwendet wird, von dem Baukopf und nicht von einem Metallbett eingebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das additive Metallfertigungssystem ein Material in einer der Formen verwendet, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus: Pulver, Draht, geschmolzenem Metall, flüssigem Metall, Metall in einem Bindemittel, Metall in löslichen Tinten, in Polymer gebundenem Metall, Blech, einer beliebigen anderen Druckform, die vertikales Drucken ermöglicht, oder einer beliebigen Kombination davon.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Getriebezähne eine vertikal orientierte Krümmung aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline einen Nachbearbeitungsprozess erfährt, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: chemische Behandlung zum Glätten der Oberfläche der Getriebezähne und der Innenfläche der Becherwand; mechanischem Schleifen, Abschleifen oder Polieren zur Reduzierung der Oberflächenrauigkeit; Beschichten mit einem anderen Metall; Wärmebehandeln, um eine oder mehrere Eigenschaften zu ändern, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus physikalischen Eigenschaften, Porosität, Temperierung, Ausfällungswachstum und anderen Eigenschaften im Vergleich zum Herstellungszustand; und einer beliebigen Kombination davon.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline aus einer Legierung, einer Metallglasmasse oder einem Metallglasverbund basierend auf einem oder mehreren Elementen hergestellt wird, die aus der Gruppe, bestehend aus: Fe, Ni, Zr, Ti, Cu, AI, Nb, Ta, W, Mo, V, Hf, Au, Pd, Pt, Ag, Zn, Ga, Mg oder einer beliebigen Kombination davon ausgewählt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline aus einem Metallmatrixverbund hergestellt wird, und wobei der Volumenanteil oder die chemische Zusammensetzung des Metallmatrixverbundes oder beider gleichförmig in der Richtung parallel zur Bauplattform, aber variabel in der Ausrichtung senkrecht zur Bauplattform ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline sowohl aus einer kristallinen Metalllegierung als auch aus einer metallischen Glaslegierung hergestellt wird und wobei die beiden Materialien in der Ausrichtung senkrecht zur Bauplattform ausgetauscht sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Dehnwellengetriebe-Flexspline aus einer Hochschmelztemperaturlegierung mit einer Schmelztemperatur von mehr als 1500 Celsius hergestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei die Hochschmelztemperaturlegierung Inconel oder eine Legierung ist, die auf einem der Elemente basiert, das aus der Liste: Nb, Ta, W, Mo, V oder eine beliebige Kombination davon, ausgewählt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Getriebezähne eine gekrümmte oder beliebige Gestalt aufweisen können, sodass die Leistung des Dehnwellengetriebes für eine bestimmte Anwendung verbessert oder modifiziert werden kann.