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Die
Erfindung betrifft ein Bauteil, welches eine mit einem Füllstoff
gefüllte
Hülle aufweist.
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In
DE 201 18 937 U1 wird
eine Einrichtung zum Trennen von Leiterplatten-Nutzen beschrieben, welche
ein linearmotorisches Hochgeschwindigkeits-Portalsystem aufweist,
auf welchem eine Spindeleinheit oder eine Leiterplattenaufnahmevorrichtung
angeordnet ist. Das Hochgeschwindigkeitsportal ist dabei in Leichtbauweise
mit einem Portalbalken in einer Hohlkugelkomposit-Metall-Verbund-Konstruktion
ausgeführt.
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Die
Herstellung eines Linearmotors, dessen Primärteil und Sekundärteil auf
zwangsgekühlten Kühlkörpern befestigt
sind, die wiederum am Maschinenkörper
angeordnet sind beschreibt
DE
297 18 566 U1 . Dabei ist jeweils zwischen dem Kühlkörper und
dem Maschinenkörper
eine schwingungsdämpfende
und wärmeisolierende
Schicht aus Hohlkugelkomposit angeordnet. Die Schicht ist bevorzugt
als Hohlkugelkomposit-Metall-Verbundbauteil ausgebildet.
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Hohlkugeln
und Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen mit Hohlkugeln
sind ebenfalls aus
DE
100 46 174 C2 bekannt. Die Hohlkugeln weisen eine Stützschale
aus einem gesinterten organischen Material auf, die mit einer festen
Funktionsschicht versehen ist. Die miteinander nicht verklebten Hohlkugeln
werden in den Formenhohlraum eines Formkörpers gefüllt und darin gesintert, so
dass sich die Oberfläche
der Stützschalen
miteinander verbindet. Nach der Abkühlung wird das Leichtbauelement aus
dem Formkörper
entnommen.
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Gemäß
DE 195 23 671 C1 ist
es ebenfalls bekannt, Maschinenbaugruppen aus Kompositmaterial zu
fertigen. Das Kompositmaterial besteht dabei aus einem vor dem Aushärten fließfähigen Gemisch aus
mineralischen oder polymeren Bindemitteln, Füllstoffen aus Hohlkugeln und
Zusätzen.
Die Maschinenbaugruppen können dabei
auch in Sandwichbauweise aus Kompositmaterial und Metallstrukturen ausgeführt sein.
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Aus
DE 96 10 028 T2 ist
es bekannt, einen festen dreidimensionalen stabilen Gegenstandes durch
bereitstellen einer dreidimensionalen, schnell formfrei hergestellten
Struktur mit einem Hohlraum, Injizieren eines viskosen Verfestigungsmaterials (Viskosität zwischen
1 bis 30 Pas) in den Hohlraum, Härten
des Verfestigungsmaterials und dabei Herstellen des dreidimensionalen
Gegenstandes zu erzeugen. Die Struktur kann dabei mittels eines
stereolithographischen Verfahrens hergestellt werden. Als Materialien
niedriger Viskosität
sind auch Urethane einsetzbar.
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Nachteil
der Stereolithographie ist, dass nur flüssige Duromere verarbeitbar
sind. Bevorzugt wird zum Ausgießen
der Hülle
niedrig viskoses Urethan verwendet. Es ist zu vermuten, dass es
sich dabei um ein Urethan-Harz handelt. Dieses härtet aus (ähnlich wie Epoxydharz). Das
Injizieren des viskosen Verfestigungsmaterial hat den Nachteil,
dass beim Füllen größerer Hohlräume Lufteinschlüsse entstehen
können
und kein gleichmäßiges Ausfüllen der
Struktur möglich
ist. Durch eine geringe Einfüllgeschwindigkeit
soll dabei eine Porosität,
die die strukturelle Integrität
verringert, vermieden werden.
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Aus
DE 195 37 264 A1 ist
es bekannt, eine Hohlform mehrlagig aufzubauen und eine Gießform mit
einem Boden und einem Deckel zu versehen. Diese Gießform wird
vom Bauteil jedoch entfernt.
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Nachteilig
dabei ist, dass die aus Hohlkugelkomposit hergestellten Bauteile
entweder kein Gehäuse
aufweisen und damit eine für
viele Anwendungsfälle
ungenügende
Oberfläche
besitzen oder dass ein Metallgehäuse
oder eine Metall-Komposit-Verbundkonstruktion
gewählt
wird, die ein relativ hohes Gewicht aufweist, welches meist unerwünscht ist.
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Weiterhin
ist keine Lösung
bekannt, bei welcher eine Hülle
funktionsspezifisch mit unterschiedlichen Füllstoffen versehbar ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Bauteil und ein Verfahren zu dessen Herstellung
zur Verfügung zu
stellen, welches die Vorteile von Hohlkugelstrukturen oder anderen
zellularen Werkstoffen nutzt und dabei gewährleistet, dass die Bauteile
eine endkonturnahe Form mit den geforderten Oberflächeneigenschaften
aufweisen, wobei es möglich
sein soll, Bauteile herzustellen, die trotz ihres „porösen" Kerns eine hohe
Festigkeit und funktionsbedingte Eigenschaften aufweisen.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Schutzanspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das
Bauteil wird erfindungsgemäß unter
Verwendung eines Füllstoffs
in Form von zellularen Werkstoffen, hergestellt, wobei das Bauteil
eine mittels Rapid-Prototyping
hergestellte Hülle
aufweist, die funktionsspezifisch mit dem Füllstoff gefüllt ist. Die zellularen Werkstoffe
sind dabei auf der Basis von metallischen oder keramischen Werkstoffen
hergestellt oder bestehen aus borosilikatischen, aluminosilikatischen
Werkstoffen. Es werden bevorzugt zellulare Werkstoffe in Form von
Hohlkugelstrukturen oder geschäumten
Metallen eingesetzt. Hohlkugelstrukturen sind dabei insbesondere
aus nahezu allen sinterbaren Werkstoffen herstellbar. Die Hülle kann aus
Kunststoff oder metallischem Werkstoff gefertigt sein und dabei
z.B. aus ein- oder mehrfarbigem Kunststoff bestehen.
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Zur
Versteifung der Hülle
können
zwischen den Wänden
der Hülle
Verstrebungen bzw. Armierungen angeordnet sein, die vorzugsweise
mit der Hülle
einteilig ausgebildet und gemeinsam mit dieser durch Rapid-Prototyping
hergestellt sind. Alternativ können
die Verstrebungen/Armierungen auch separat ausgebildet und z.B.
aus einem identischen oder artgleichen Werkstoff wie die Hülle oder
aus einem anderen Werkstoff bestehen. Die Verstrebungen/Armierungen
können
beispielsweise aus Faserverbundwerkstoff, Metall, Kunststoff oder
einer Kombination der vorgenannten Werkstoffe gefertigt sein.
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Sind
die Verstrebungen/Armierungen separat ausgebildet, können in
die Hülle
Befestigungen für die
Verstrebungen/Armierungen integriert sein.
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Es
besteht weiterhin die Möglichkeit,
in die Hülle
und/oder den Füllstoff
Funktionselemente und/oder Einlegeteile einzubetten. Dies können z.B. Befestigungselemente
und/oder Kühlelementen und/oder
Führungen/Führungsleisten
sein.
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Weiterhin
können
in die Hülle
und/oder den Füllstoff
elektrische/elektronische Funktionselemente eingelagert sein.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit
in der Hülle gehäuseartige
Ausnehmungen anzuordnen und eine Kennzeichnung, z.B. eine Beschriftung
in die Hülle
zu integrieren.
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Weiterhin
können
auch Ausnehmungen z.B. in der Form von Bohrungen in der Hülle und/oder dem
Füllstoff
vorgesehen werden.
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In
der Hülle
können
unterschiedliche Füllstoffe
angeordnet sein. Bevorzugt wird dabei funktionsspezifischer Füllstoff
in die Hülle
eingebracht, wobei zumindest in Bereichen größerer Beanspruchung ein Füllstoff
mit geringerer Körnung
und/oder größeren Festigkeitseigenschaften
und zumindest in Bereichen, in welchen lediglich eine geringe Beanspruchung
auftritt, ein Füllstoff
mit größerer Körnung und/oder
geringeren Festigkeitseigenschaften angeordnet ist.
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Weiterhin
kann die Hülle
komplett oder bereichsweise zur Gewährleistung entsprechender Eigenschaften
mit elastischem, schwingungsdämpfendem,
schalldämpfendem,
temperaturbeständigem, wärmeisolierendem
oder strahlungsabsorbierendem Füllstoff
oder deren Kombinationen versehen sein.
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Z.B.
kann es für
bestimmte Anwendungen erforderlich sein, dass der Füllstoff
Röntgenstrahlen absorbiert.
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Es
ist erstmalig möglich
funktionsspezifisch Füllstoff
in Form zellularer Werkstoffe (insbesondere Hohlkugelstrukturen)
auf der Basis eines keramischen Werkstoffs mit einem Füllstoff
auf Basis eine metallischen Werkstoff untereinander oder mit Füllstoff
aus geschäumten
Metall zu kombinieren oder auch bereichsweise unterschiedliche Füllstoff
aus keramischen Materialien und/oder unterschiedliche Füllstoffe
aus metallischen Materialien zu kombinieren, wobei die z.B. dafür eingesetzten
Hohlkugelstrukturen zusätzlich
in ihren Eigenschaften (z.B. Größe und Gewicht
usw.) variieren können.
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Bevorzugt
wird die Hülle
einteilig hergestellt, sie kann jedoch auch aus mehreren mittels
Rapid-Prototyping hergestellten Teilen zusammengesetzt und z.B.
umlaufend ein- oder mehrteilig ausgebildet sein.
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Weiterhin
ist es möglich,
die Hülle
mit einem Boden und/oder einem Deckel zu versehen, die ebenfalls
mittels Rapid-Prototyping hergestellt und vorzugsweise mit der Hülle einteilig
ausgebildet sind.
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Zum
Einfüllen
des Füllstoffs
weisen die Hülle und/oder
der Boden und/oder der Deckel wenigstens eine Befüllöffnung auf.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteile erfolgt unter
Verwendung eines Füllstoffs
in Form von Hohlkugelstrukturen oder anderen zellularen Werkstoffen
in gieß-
oder schüttfähiger Form
oder in Form von geschäumten
Metallen, wobei erfindungsgemäß zuerst
eine Konstruktion der Endkontur des Bauteils entsprechende Hülle, die mittels
Rapid-Prototyping gefertigt wird und anschließend in diese Hülle der
Füllstoff
eingebracht wird.
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In
die Hülle
eingebrachter Füllstoff
kann nach dem Einbringen in die Hülle verdichtet werden. Dabei härtet gießfähiger Füllstoff
nach dem Gießen
in der Hülle
aus. Der gießfähige Füllstoff
besteht aus den Hohlkugelstrukturen, die mit einem vor dem Einfüllen gießfähigen aushärtbaren „Kleber" (z.B. Harz, Harz-Härter-Gemisch.....) vermischt
sind.
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Ist
der Füllstoff
schüttfähig wird
dieser wird nach dem Einbringen in die Hülle gesintert. Dabei weist
der Füllstoff
Hohlkugelstrukturen auf, die zumindest außen ein sinterfähiges Material
aufweisen.
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Besteht
der Füllstoff
aus einem aufschäumbaren
Material erfolgt nach dem Einbringen in die Hülle unter Temperatureinwirkung
das Aufschäumen, bis
die Hülle
teilweise oder vollständig
ausgefüllt
ist.
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Vorteilhafter
Weise können
in die Hülle und/oder
den Füllstoff
Funktionselemente und/oder Einlegeteile eingebettet oder Bohrungen
eingebaut werden.
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Bevorzugt
vor dem Ausfüllen
der Hülle
mit Füllstoff
werden diese Funktionselemente und/oder Einlegeteile und/oder Versteifungselemente/Armierungen
darin positioniert. Dies können
z.B. Befestigungselemente, Kühlelemente,
Führungen,
elektrische/elektronische Funktionselemente sein.
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Weiterhin
ist es möglich,
beim Herstellen der Hülle
in diese eine Kennzeichnung, z.B. eine Beschriftung zu integrieren.
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Entweder
gleichzeitig oder nacheinander können
gleiche oder unterschiedliche Füllstoffe
in die Hülle
eingebracht werden. Dazu ist von Vorteil, dass zum bereichsweise
getrennten Einfüllen
des Füllmaterials
eine oder mehrere Trennwände integriert
sind, die bedarfsweise nach dem Einfüllen des Füllmaterials im Bauteil verbleiben
und vorteilhafter Weise beim Herstellen der Hülle und/oder des Bodens und/oder
des Deckels mittels Rapid-Prototyping hergestellt werden. Alternativ
können
die Trennwände nach
dem Einfüllen
und Verfestigen eines Füllmaterials
wieder entnommen werden.
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Vorzugsweise
wird dabei jeweils erst ein weiteres Füllmaterial in die Hülle gefüllt, wenn
das vorher eingefüllte
Füllmaterial
sich verfestigt hat.
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Die
erfindungsgemäße Lösung stellt
eine äußerst einfache
und praktikable Möglichkeit
dar, Bauteile endkonturnah zu fertigen. Durch die Verwendung zellularer
Werkstoffe (z.B. Hohlkugelkomposite), die in die Hülle entsprechend
der bereichsspezifischen Belastungsanforderungen des Bauteils in
unterschiedlicher Konfiguration eingebracht werden, ist es erstmalig
möglich
sehr kostengünstig
ein Bauteil mit bereichsweise definierten/spezifischen Eigenschaften
herzustellen.
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Insbesondere
durch die Herstellung der Hülle
mittels Rapid-Prototyping ist eine endkonturfertige oder endkonturnahe
Bauteilform möglich.
Einlegeteile (z.B. Führungen)
können
abschließend
z.B. spanend bearbeitet werden. Die Herstellung der Hülle durch
Rapid-Prototyping ermöglicht
die Integration von Bohrungen, gehäuseartigen Ausnehmungen, Versteifungen,
Trennwänden
usw.
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Als
Füllmaterial
in Bereichen in denen nur geringe Festigkeitsanforderungen gestellt
werden, können
Hohlkugelkomposite großen
Durchmessers verwendet werden, wodurch das Gewicht des Bauteils
gegenüber
der Verwendung von Vollmaterial wesentlich verringert werden kann.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung wird durch
den Einsatz von Hohlkugelstrukturen oder von zellularen Werkstoffen
gezielt eine funktionsabhängige
Porosität
erzeugt, die den bauteilspezifischen Funktionen Rechnung trägt und dabei
das Gewicht reduziert.
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Wird
eine Hülle
aus Kunststoff durch Rapid-Prototyping hergestellt, ist es normalerweise nicht
möglich,
diese mit geschäumten
Metall zu Füllen,
da die hohen-Temperaturen
beim Ausschäumen mit
Metall die Kunststoffhülle
zerstören
würden.
Es ist nun mit der erfindungsgemäßen Lösung möglich, die Wandung/en
der Hülle
innen mit einer Schicht aus Hohlkugelstrukturen zu versehen, die
eine geringe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen (z.B. Keramik) und dann den restlichen Hohl raum mit metallischen Werkstoff
auszuschäumen.
Die dabei entstehenden hohen Temperaturen werden durch die Schicht
aus Hohlkugelstrukturen nicht bis an die Kunststoffhülle weitergeleitet,
so dass diese nicht beschädigt
wird.
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Damit
ist es erstmalig möglich,
ein Bauteil herzustellen, das eine Kunststoffhülle aufweist und im Inneren
mit Metallschaum gefüllt
ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
Hülle 2 ohne
Boden und Deckel und mit Verstrebungen in Form von Querstreben 4.1 und einer
Längsstrebe 4.2,
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2:
Ausschnitt eines Bauteils 1, bestehend aus einer Hülle 2 mit
Hohlkugelkomposit 3.1 geringer Körnung und Hohlkugelkomposit 3.2 großer Körnung sowie
mit gebauter Bohrung 6 und einem eingebetteten Funktionselement
in Form einer Führungsleiste 6.1,
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3:
Querschnitt durch ein Bauteil 1, welches eine umfangsseitig
geschlossene Hülle 2 aufweist,
die einteilig mit einem Boden 2.1 und einem „Deckel" 2.2 durch
Rapid-Prototyping hergestellt ist und in welches zahlreiche Funktionselemente
integriert sind.
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4:
Querschnitt durch ein Bauteil, welches mit Hohlkugelstrukturen und
Metallschaum gefüllt
ist.
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In 1 ist
eine Hülle 2 ohne
Boden und Deckel dargestellt, welche die äußeren Abmessungen eines herzustellenden
Bauteils aufweist. Es wurde in einem Bereich angedeutet, dass die
Hülle 2 mit
Füllstoff 3 (hier
in Form von Hohlkugelkomposit) gefüllt wird. Zwischen den beiden
längeren
Seitenwänden der
Hülle 1 erstrecken
sich neben- und übereinander Verstrebungen
in Form von Querstreben 4.1 und einer Längsstrebe 4.2, die
einstückig
mit der Hülle 2 durch
Rapid-Prototyping
z.B. aus einem temperaturbeständigen
hochfesten Kunststoff gefertigt wurden. Wenn wie hier die Hülle 2 keinen
Boden aufweist, kann diese (nicht dargestellt) auf eine Grundplatte
mit einer Trennschicht aufgesetzt werden und von oben mit Füllstoff
gefüllt
werden. Nach dem Verfestigen des Füllstoffs kann das so hergestellte
Bauteil von der Grundplatte entfernt werden. Die Seite, die auf der
Grundplatte aufgelegen hat, kann entweder die Oberseite oder die
Unterseite des Bauteils bilden.
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Gemäß einer
weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann die Hülle mit
einem Deckel versehen sein, der nach Fertigstellen des Bauteils oben
liegt. Zum Einfüllen
des Füllstoffs
wird die Hülle mit
dem Deckel nach unten auf eine Grundplatte aufgelegt und der Füllstoff
z.B. eingegossen. Nach dem Verfestigen des Füllstoffes wird das Bauteil
gedreht, so dass der Deckel dessen Oberseite bildet.
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Den
Ausschnitt eines Bauteils 1, bestehend aus einer Hülle 2 mit
Hohlkugelkomposit 3.1 geringer Körnung und Hohlkugelkomposit 3.2 großer Körnung ist
in 2 dargestellt. In das Bauteil 1 ist eine
Bohrung 5 integriert, deren Wandung 5.1 beim Herstellen der
Hülle 2 durch
Rapid-Prototyping mit gebaut wurde. Die Bohrungswandung 5.1 der
Bohrung 5 ist von Füllstoff 3.1 umgeben.
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Nach
der Fertigstellung der Hülle 2 und
der gebauten Bohrung 5 werden die Hohlkugelkomposite 3.1 und 3.2 in
die Hülle 2 gegossen,
wobei sie die Bohrungswandung 5.1 umfließen. Gleichzeitig
wird in die Hülle
H und in den Hohlkugelkomposit 3.2, der eine größere Festigkeit
und geringere Körnung
aufweist, ein Einlegeteil in Form einer Führung 6.1 integriert.
Die Führung 6.1 kann
dabei mit einer Bearbeitungszugabe 6.1' versehen sein, die abschließend z.B.
spanend entfernbar ist.
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Den
Querschnitt durch ein Bauteil 1, welches eine umfangsseitig
geschlossene Hülle 2 aufweist, die
einteilig mit einem Boden 2.1 und einem „Deckel" 2.2 durch
Rapid-Prototyping hergestellt ist und in welches zahlreiche Funktionselemente
integriert sind, wird in 3 gezeigt. Das Bauteil 1 weist
außen
im Bereich der Hülle 2 und
unten im Bereich des Bodens 2.1 einen Füllstoff 3.1 geringer
Körnung
und großer Festigkeit
auf. Im Zentrum des Bauteils, in welchem keine großen Kräfte aufgenommen
werden müssen, ist
ein Füllstoff 3.2 größerer Körnung eingefüllt, der eine
geringere Festigkeit und ein geringeres Gewicht als der Füllstoff 3.1 im
Außen-
und Bodenbereich aufweist. Zwischen beiden Füllstoffen 3,1.3,2 ist
eine Trennwand T angeordnet. In der Hülle 2 erstreckt sich
eine mittige Querstrebe 4.2. In den Deckel 2.2 wurden über den
Außenbereichen,
die einen Füllstoff 3.1 größerer Festigkeit
aufweisen, zwei Funktionselemente in Form von Führungsleisten 6.1 angeordnet.
In den Deckel 2.2 und den Füllstoff 3.2 geringerer
Festigkeit wurde ein Einlegeteil in Form eines Befestigungselementes 6.2 (z.B.
einer Gewindebuchse) integriert. Weiterhin wurde in das Bauteil
ein Kühlelement 6.3 eingebunden
und in die Hülle 2 eine
gehäuseartige
Ausnehmung 7 und eine Beschriftung 8 integriert.
In dem Deckel 2.2 befinden sich Befüllöffnungen 9, über welche
die Füllstoffe 3.1 und 3.2 eingefüllt wurden.
Es ist möglich,
die Befüllöffnungen
mittels nicht dargestellten Verschlusselementen abzudecken bzw.
zu verschließen.
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Die
Hülle 2,
der Boden 2.2, der Deckel 2.2, die Querstrebe 4.2,
die gehäuseartige
Ausnehmung 7, die Beschriftung 8 und die Trennwand
T wurden ein einem Rapid-Prototyping-Prozess
hergestellt.
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Das
Bauteil 1 ist dazu geeignet, die auf die Führungsleisten 6.1 wirkenden
Kräfte
F aufzunehmen, da unter den Führungsleisten 6.1 Füllmaterial 3.1 größerer Festigkeit
angeordnet ist. Auch hier können
die Führungsleisten
abschließend
bearbeitet werden.
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Den
Querschnitt durch ein Bauteil 1, welches mit Hohlkugelstrukturen
und Metallschaum gefüllt
ist, zeigt 4.
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Die
Hülle 2,
einschließlich
der Boden 2.1 bestehen aus Kunststoff und sind innen mit
einer Schicht aus einem Füllstoff 3.2 aus
Hohlkugelkomposit großer
Körnung
versehen, wobei der Hohlkugelkomposit aus einem Material mit geringer
Wärmeleitfähigkeit
besteht, z.B. aus Keramik.
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Innen
wurde das Bauteil 1 mit einem Füllstoff 3.3 in Form
von Metallschaum ausgefüllt.
Dabei wirkt der Füllstoff 3.1 wärmeisolierend,
so dass die Hülle 2 und
der Boden 2.1 nicht durch die beim Ausschäumen mit
Metall auftretenden hohen Temperaturen beschädigt werden.
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Neben
den vorgenannt beschriebenen Lösungen
können
Bauteile verschiedenster Formen und Konfigurationen gefertigt werden.
Die vielfältigen und
variablen Möglichkeiten
der Bauteilherstellung eröffnen
insbesondere für
die Prototypenfertigung neue Möglichkeiten.
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- 1
- Bauteil
- 2
- Hülle
- 2.1
- Boden
- 2.2
- Deckel
- 3
- Füllstoff
- 3.1
- Füllstoff
mit kleiner Körnung
und großer
Festigkeit
- 3.2
- Füllstoff
mit großer
Körnung
und geringer Festigkeit
- 3.3
- Füllstoff
aus Metallschaum
- 4.1
- Querstreben
- 4.2
- Längsstrebe
- 5
- gebaute
Bohrung
- 5.1
- Bohrungswandung
- 6.1
- Führungsleiste
- 6.1'
- Bearbeitungszugabe
- 6.2
- Befestigungselement
- 6.3
- Kühlelement
- 7
- gehäuseförmige Ausnehmung
- 8
- Beschriftung
- 9
- Befüllöffnung
- T
- Trennwand