-
Die Erfindung betrifft integrale dreidimensionale Elemente für bewegliche Objekte aufweisend räumliche Erstreckungen in wenigstens zwei Raumrichtungen und einer von Null verschiedenen Erstreckung in einer dritten Raumrichtung.
-
Dreidimensionale Elemente in Form von Maschinenelementen, Einbauelementen, Möbelstücken, Verkleidungen, volumenbildenden Behältnissen, korpusartige Um- oder Einhausungen usw. sind in vielfältigen ein- oder mehrteiligen Ausgestaltungen bestehend aus einem oder mehreren Werkstoffen wie beispielsweise Holz, Metalle, Nichteisenmetalle, Kunststoffen, Kompositwerkstoffen, Laminaten seit langem bekannte und in praktisch allen Bereichen der Technik eingesetzte Elemente.
-
Unter dreidimensionalen Elementen werden allgemein alle Elemente mit einer räumlichen Erstreckung in wenigstens zwei Raumrichtungen und einer von Null verschiedenen Erstreckung in einer dritten Raumrichtung verstanden.
-
Dreidimensionale Elemente und insbesondere Einbauteile in oder für bewegliche Objekte wie beispielsweise Luft, Wasser- oder Landfahrzeuge sind häufig mehrteilig realisiert. Das bedeutet, dass die Erstreckung solcher Einbauteile in drei Raumrichtungen durch mehrere miteinander lösbar oder unlösbar verbundene Teilelemente ausgeführt ist. Ursache ist ein bisher fehlendes Fertigungsverfahren unter den Gesichtspunkten Ökonomie, Ökologie, Geometriegestaltungsfreiheit.
-
Die etablierten Fertigungsverfahren und formgebenden Prozesse wie Urformung, Umformung, spanbildende und spanlose Bearbeitungsverfahren und, oder die für die Verbindungsherstellung von Teilkomponenten dreidimensionaler Elemente zur Verfügung stehenden Fügeverfahren wie Stoffschluss, Formschluss, Kraftschluss durch beispielsweise Verschraubungen und, oder Verklebungen und, oder Vernietungen und, oder Verschweißungen bieten nur eingeschränkte Möglichkeiten zur Realisierung solcher Bauteile und sind häufig zu unflexibel und kostenintensiv.
-
Ein weiteres bekanntes Herstellungsverfahren zur Schaffung komplexer Geometrien aus insbesondere Kunststoffwerkstoffen oder Nichteisenmetallen wie Aluminium und Magnesium ist der Spritzguss. Bei diesem Verfahren wird ein zuvor aufgeschmolzener oder zumindest teilplastifizierter Werkstoff in eine Form eingebracht. Dieser häufig unter Hochdruck ausgeführte Prozess erfordert eine Form ausgebildet als meist zwei- oder mehrteiliges Werkzeug, dessen Kavität durch die Zwei- oder Mehrteiligkeit geöffnet werden kann, um das Spritzgusswerkstück nach seiner Aushärtung entnehmen zu können.
-
Das Spritzgussverfahren ist infolge der zwingend erforderlichen Entformbarkeit des Werkstückes aus dem Werkzeug in seiner Geometriegestaltungsfreiheit beschränkt. Auch werden die Werkzeuge mit zunehmender Geometriekomplexität durch die dann erforderliche Mehrteiligkeit sehr aufwändig und extrem kostenintensiv. Dadurch kommen Spritzgussverfahren nur für beschränkte Geometriekomplexitäten und nennenswerten Stückzahlen in Betracht.
-
Bei Einbauteilen in bewegliche Objekte treten häufig weitere Kriterien zu den zuvor genannten Rahmenbedingungen additiv oder alternativ hinzu.
-
Neben wirtschaftlichen und, oder ästhetischen Aspekten sowie den unerwünschten Beschränkungen hinsichtlich der Geometriekomplexität kann bei Einbauteilen in bewegliche Objekte der Anforderungskatalog beispielsweise durch Leichtbauanforderungen, Temperaturstabilität, Verformungssteifigkeit oder gezielte Verformungsfähigkeit sowohl partiell-lokal als auch das ganze Bauteil betreffend, Werkstoffkombinationen, Oberflächenbeschaffenheiten zur Unterstützung erhöhter oder reduzierter Haftoder Gleitreibungseigenschaften, geschmackliche Oberflächenanmutungen, erhebliche Wanddickengradienten in der räumlichen Erstreckung wenigstens in einer Raumrichtung usw. ergänzt werden müssen.
-
Eine weitere Schwierigkeit dreidimensionaler Elemente in Form von Einbauteilen für bewegliche Objekte kann dadurch entstehen, dass verschiedene der zuvor genannten Kriterien, Anforderungen oder Randbedingungen konträr zueinander sind. Zu nennen sind insbesondere die funktionalen Kriterien bzw. Bauteileigenschaften und der Kapitaleinsatz für die Fertigungseinrichtungen, deren Rentabilität wiederum stückzahlabhängig ist.
-
Bei der Herstellung von Einbauteilen für bewegliche Objekte in größeren Stückzahlen, beispielsweise für PKW, Nutzfahrzeuge oder Wasser-, Luft- und Schienenfahrzeuge werden diese vielfach beispielsweise als Kunststoff-, Aluminium- oder Magnesiumteile im Spritzgussverfahren bzw. mittels Spritzgusswerkzeugen oder durch Ur- und Umformverfahren erzeugt.
-
Bei der Herstellung von Einbauteilen für bewegliche Objekte in geringeren Stückzahlen, bei denen die kapitalintensiven Spritzguss- oder Umformwerkzeuge zur Einbauteileherstellung wirtschaftlich nicht vertretbar sind, werden flexible Herstellungsarten benötigt.
-
Elemente mir geringerem Stückzahlenumfang werden beispielsweise in handwerklicher Manier hergestellt. Als Werkstoffe dienen oft Holz und, oder Holzverbundteile – teils mit Innenkern aus wabenförmigen oder anderen geometrisch geeigneten Versteifungen. Auch Aluminium, Metallwerkstoffe oder Kunststoffe als Basiswerkstoff oder Halbzeug sind eingesetzt. Elemente dieser Art sind üblicherweise mehrteilig aufgebaut und werden mittels bekannter Bearbeitungsprozesse wie beispielsweise Sägen, Bohren, Fräsen, Biegen, Umformen bearbeitet sowie mit geeigneten Verbindungs- und, oder Fügetechniken wie beispielsweise Schrauben, Stiften, Nieten, Kleben, Schweißen zu einem dreidimensionalen Element verbunden.
-
Neben den etablierten Fertigungsverfahren und formgebenden Prozessen ist in jüngerer Zeit der sogenannte 3D-Druck entwickelt worden.
-
3D-Druckherstellungsverfahren umfassen heute eine Vielzahl von verschiedenen Techniken zur Herstellung dreidimensionaler Elemente. Allen 3D-Druckverfahren ist gemeinsam, dass sie Elemente mit Erstreckung in drei Raumrichtungen schichtweise aufbauen. Anders als die bekannten Ur- und Umformverfahren sowie subtraktiven Methoden, zu denen die spanbildenden und spanlosen materialabtragenden Prozesse zählen ist die Gruppe der 3D-Druckherstellungsverfahren durch die additive Materialeinbringung bzw. additiver, schichtweiser Werkstückaufbau gekennzeichnet.
-
Um den additiven und schichtweisen Werkstückaufbau zu realisieren werden beispielsweise Düsen als Druckköpfe verwendet, die einen zuvor plastifizierten oder wenigstens teilverflüssigten Werkstoff in Tropfen-, Nebel- oder Fadenform ausbringen und schichtweise das herzustellende dreidimensionale Element aufbauen. Ein anderes 3D-Druckverfahren basiert auf pulverförmigem oder flüssigem Grundwerkstoff, dessen lokale schichtweise Werkstückbildung durch partielle Erhärtung des Basismaterials erfolgt.
-
Der Erhärtungsprozess kann in Abhängigkeit der jeweils verwendeten Basiswerkstoffe durch Aggregatzustandsänderung infolge Erkaltung, UV-Aushärtung oder auch Pressen, Sintern, chemische Reaktion usw. eingeleitet und, oder vollendet werden.
-
3D-Druckherstellungsverfahren stehen für eine Vielzahl von Werkstoffen zur Verfügung, beispielsweise thermoplastische Kunststoffe wie ABS oder PLA, verschiedene Harze und Kunstharze, Kunststoffe wie Polyamid, Metalle wie Stahl und Titan, Nichteisenmetalle wie Aluminium und Magnesium. Vorzugsweise, aber nicht zwingend verfügen geeignete Werkstoffe zur Verarbeitung in 3D-Druckern über Aggregatwechseleigenschaften.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die zuvor genannten Nachteile im Zusammenhang mit dreidimensionalen Elementen wenigstens teilweise zu reduzieren.
-
Die erfindungsgemäße Lehre schlägt als Lösung integrale dreidimensionale Elemente, ausgebildet insbesondere als Einbauteile für bewegliche Objekte vor und erkennt, dass deren Herstellung durch ein additives Herstellungsverfahren mittels 3D-Druckern besonders vorteilhaft ist. Eine herstellungstechnische Polyoptimierung verschiedener zuvor genannter Kriterien und, oder Anforderungen oder Randbedingungen in konträrer Beziehung zueinander sind möglich.
-
Die Erfindung sieht vor, dass integrale dreidimensionale Elemente für bewegliche Objekte durch additive Herstellungsverfahren schichtweise aufgebaut sind. Vorzugsweise, aber nicht zwingend können erfindungsgemäße Elemente einstückig ausgeführt werden. Durch die Integration von Zusatzfunktionen und, oder Eigenschaften werden besondere erfindungsgemäße Elemente geschaffen.
-
Die erfindungsgemäße Lehre unterstützt integrale dreidimensionale Elemente ausgebildet insbesondere als Einbauteile für bewegliche Objekte mit erheblicher Geometriekomplexität beispielsweise in Form von Hohlräumen, Kernen und, oder Einlegeteilen, Hinterschneidungen, Erstreckungsgradienten in wenigstens einer Raumrichtung, praktisch beliebige Freiformflächen und Wanddickensprüngen.
-
Integrierte Zusatzfunktionen können je nach Zweckbestimmung des dreidimensionalen Elementes für bewegliche Objekte additiv oder alternativ eine Vielzahl von Varianten umfassen. Beispielsweise können integrale dreidimensionale Elemente für bewegliche Objekte ausgeführt sein als Einbauteile wie Möbel oder Schränke in Wohnmobilen, Booten, Flugzeugen oder Wohnwagen und können in integrierter Weise Kabelkanäle, Dichtungen, Aufnahmen für Aufteilungselemente, Scharniere, Auszüge, Leitungen für verschiedene Fluide, Feststoffe und, oder Gase, Kabel, Befestigungsmittel, Wandungen, Zwischenwände, Halterungen usw. aufweisen.
-
Weitere Varianten der erfindungsgemäßen integrierten Zusatzfunktionen können wenigstens einen Sensor oder Sensorik geeignet für beispielsweise die Detektion von Wasser, Gas, einwirkende positive oder negative Beschleunigung bei beispielsweise Unfallsituationen bzw. Aufprall, Bewegungen, Näherung von Personen oder Gegenständen, Helligkeit oder allgemein die Lichteinwirkungssituation usw. enthalten.
-
Auch die Integrierten Eigenschaften umfassen je nach Zweckbestimmung des dreidimensionalen Elementes für bewegliche Objekte additiv oder alternativ eine Vielzahl von Varianten. Beispielsweise können integrale dreidimensionale Elemente für bewegliche Objekte geometrisch derart ausgeführt sein, dass gezielte Festigkeits-, Steifigkeits- und, oder Verformungseigenschaften eingeprägt sind. Integrale Eigenschaften dieser Art basieren erfindungsgemäß primär auf geometrischen Ausbildungen hergestellt durch additive Herstellungsverfahren mit schichtweisem Aufbau. Geometrische Ausbildungen können beispielsweise elementinnenseitige Kerne in Form von kerbspannungsreduzierende Radien, versteifend wirkende Wabenstrukturen und, oder festigkeitssteigernde Abkantungen sein.
-
Weitere erfindungsgemäße Integrationsmöglichkeiten in dreidimensionale Elemente werden durch eingebrachte Werkstoffkombinationen unterstützt. Diese als separate Komponenten oder Module mit fließendem Übergang realisierten Kombinationen können verschiedene Kunststoffe, Aluminium, Stahl, Papier usw. umfassen. Gleiches gilt für farbliche Ausgestaltungen, Oberflächenstrukturen und generell für eigenschaftenbasierte optische Beeinflussungen.
-
Die Erfindung ermöglicht in besonderer Weise die generell anzustrebende Massenreduktion von dreidimensionalen Elementen durch die integrierten Eigenschaften. Je nach Anforderungskatalog des Elementes kann eigenschaftsabhängig ein dafür optimales Basis- beziehungsweise Werkstückmaterial für den schichtweisen additiven Aufbau gewählt werden. Gleiches gilt für die gezielte Wandstärkenausbildung des gesamten Elementes oder partieller Bereiche. Beispielsweise kann ein Möbelkorpus wenigstens einteilig aus einem leichtem Kunststoffsandwich mit innerer Wabenstruktur, integriertem Versteifungsrahmen aus dem gleichen und, oder kompatiblem zweiten Material oder aus Aluminium, Stahl, Magnesium usw. schichtweise hergestellt werden. Infolge der integrativen Ausbildung derartiger erfindungsgemäßer dreidimensionaler Elemente ergibt sich ein großes Potential zur Massenminimierung, was insbesondere bei Einbauteilen für bewegliche Objekte von besonderer Relevanz ist.
-
Additiv oder alternativ zu den Massenreduzierungsvorteilen kann der durch den erfindungsgemäß unterstützten Werkstoffkombinationsfreiheitsgrad besondere Integrationsmöglichkeiten bieten, die herkömmliche Fertigungsverfahren nicht realisieren können und die integrativen Zusatzfunktionen und, oder Eigenschaften unterstützt.
-
Ein erheblicher weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lehre besteht in schnellen und unkomplizierten Änderungen der Geometrie, Abmessungen in absoluter oder relativer Hinsicht sowie Proportionenmodifikation der integralen dreidimensionalen Elemente. Infolge des additiven Fertigungsverfahrens im Rahmen schichtweisen Elementaufbaus sind dazu lediglich die verfahrenssteuernden Parameter und gegebenfalls der oder die verwendeten Basiswerkstoffe zu ändern. Ebenfalls unterstützt sind komplizierte Formen, Geometrien in einzelnen Bereichen oder dem gesamten integralen dreidimensionalen Element.
-
Der schichtweise Elementaufbau durch das additive 3D-Druckverfahren unterstützt weiterhin die optischen Eigenschaften der dreidimensionalen Elemente hinsichtlich beispielsweise der Farbgebung und, oder Oberflächenbeschaffenheit in vielfältiger Weise. Die jeweiligen Oberflächenschichten können durch Werkstoffvarianten, Farben, Oberflächenstrukturen und, oder -prägungen, Rautiefen sowie durch Veränderungen der lichtbrechenden, lichtemittierenden und lichtstreuenden Eigenschaften ausgebildet werden.
-
Erfindungsgemäß können Oberflächen als Nanostrukturen ausgeführt werden und beispielsweise Eigenschaften hinsichtlich Selbstreinigung, Lotuseffekt, Hologrammeffekte oder richtungsabhängige Wechselbilder aufweisen.
-
Kostenvorteile erzielt die Erfindung nicht nur durch den verringerten monetären Aufwand für die Herstellungs- und Fertigungsmittel, sondern auch durch einen deutlich verringerten Personalaufwand und einem trotz hohem Flexibilitätsniveau und Kleinserieneignung hohen Automationsgrad.
-
Die Bedeutung der erfindungsgemäßen Lehre erschöpft sich nicht in der Integration eines oder weniger Zusatzfunktionen und, oder Eigenschaften.
-
Integrale dreidimensionale Elemente für bewegliche Objekte ausgeführt als Einbauteile wie Möbel oder Schränke in Wohnmobilen, Booten, Flugzeugen oder Wohnwagen müssen erfindungsgemäß nicht aus einer Mehrzahl von zu beschaffenden, vorzuhaltenden oder herzustellenden Einzelteilen mit unterschiedlichen Anforderungen aufgebaut werden, sondern können in einem Stück und auch aus verschiedenen, auch kombinierbaren, Materialien wie zuvor beschrieben, Farben, Oberflächen und beispielsweise auch mit integrierten Dichtungen hergestellt werden und können dadurch verschiedene funktionelle oder eigenschaftenbehaftete Elementanforderungen in einem dreidimensionalen Element darstellen.
-
Es ist möglich, beispielsweise eine Nasszelle oder ein Bad für ein bewegliches Objekt wie beispielsweise ein Wohnmobil oder ein Wohnwagen mit seiner Vielzahl an Elementfunktionen aus einem Stück herzustellen:
- – Wand als Raumtrenner, Halterungen für Wasserschläuche, Wasserleitungen, Waschbecken;
- – Schrankkorpus mit Dichtung, Kabelkanäle, Siphon, Halterungen für Nutzungsdinge wie Handtuchhalter oder dergleichen;
- – Duschabtrennung mitsamt Dichtung, Serviceklappe;
- – Scharniere;
- – Aufnahmen für Leuchtmittel;
- – Integrierte Dübel als Aufnahme für Zusatzteile wie beispielsweise Leuchten.
-
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
-
1 ein integrales dreidimensionales Element für bewegte Objekte (1, 10) ausgeführt als Einbauteil, Korpus (20) in einer perspektivischen Ansicht mit verschiedenen integrierten Zusatzfunktionen (50) und
-
2 ein integrales dreidimensionales Element für bewegte Objekte (1, 10) ausgeführt als Einbauteil, Waschbecken (30) mit verschiedenen integrierten Zusatzfunktionen (50) und Zusatzbauteilen (70) in räumlicher Darstellung sowie
-
3 in einer dreidimensionalen Abbildung eine Einbauteilkomponente, Wandung (40) für oder als ein integrales dreidimensionales Element für bewegte Objekte (1, 10) mit verschiedenen integrierten Zusatzfunktionen (50), integrierten Eigenschaften (60) und Zusatzbauteilen (70).
-
1 zeigt ein integrales dreidimensionales Element für bewegte Objekte (1, 10) ausgeführt als Einbauteil, Korpus (20) in einer perspektivischen Ansicht mit verschiedenen integrierten Zusatzfunktionen (50). Das gezeigte Einbauteil (10, 40) ist beispielsweise als Teil einer Umhausung oder einer Sicherheitsabdeckung geeignet, kann als Korpus- und, oder Schrankbestandteil fungieren oder als Behältnis für die in bewegenden Objekten erforderlichen technischen Komponenten oder Versorgungseinrichtungen dienen.
-
Die erfindungsgemäße Lehre unterstützt in besonderer Weise die Realisierung von integrierten Zusatzfunktionen (50) innerhalb des integralen dreidimensionalen Elementes für bewegte Objekte (1, 10) durch das additive Fertigungsverfahren. In die vorzugsweise einstückig ausgebildete Bauteilberandung, Wandung, Wand (51) sind im gezeigten Ausführungsbeispiel die integrierten Zusatzfunktionen (50) durch Kabelkanalfunktionen (52, 53, 54) einstückig sowie die in diesem Beispiel teilweise nicht-einstückig integrierten Zusatzfunktionen (50) in Form einer integrierten Einhausungsfunktion, Klappe (57) mit Halterungsfunktion (56) sowie einer Leuchtkörperfunktion (55) mit Leuchte (73) verwirklicht.
-
Nicht dargestellt sind die optionalen Möglichkeiten zur ein- oder mehrstückigen Ausbildung integrativer Eigenschaften (60) beispielsweise durch eine wandinnenseitige Wabenstruktur (61) oder Gewinde (61) wie in 3 illustriert und, oder die zuvor beschriebenen Werkstoffe, Werkstoffkombinationen, Oberflächenfarben, Oberflächenausbildungen usw. Nicht dargestellt, aber erfindungsgemäß additiv oder alternativ zu den abgebildeten integrierten Zusatzfunktionen (50) kann weiterhin wenigstens ein Sensor oder Sensorik, Sensoriken geeignet für beispielsweise die Detektion von Wasser, Gas, einwirkende positive oder negative Beschleunigung bei beispielsweise Unfallsituationen bzw. Aufprall, Bewegungen, Näherung von Personen oder Gegenständen, Helligkeit oder allgemein die Lichteinwirkungssituation usw. implementiert sein.
-
2 bildet ein integrales dreidimensionales Element für bewegte Objekte (1, 10) ausgeführt als Einbauteil, Waschbecken (30) mit verschiedenen integrierten Zusatzfunktionen (50) und Zusatzbauteilen (70) in räumlicher Darstellung ab. Im Rahmen dieses weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiels sind in das integrale dreidimensionale Element für bewegte Objekte (1, 10, 30) vorzugsweise einstückig integrierte Zusatzfunktionen (50) durch Halterungsfunktionen (56) in Form von Klemmelementen, Halter verwirklicht mit dem Zweck separate Zusatzbauteile (70) hier repräsentiert durch Abwasserleitung, Siphon (72) und, oder Wasserzulaufleitung (71) zu haltern.
-
In 2 nicht dargestellt, aber erfindungsgemäß additiv oder alternativ möglich sind alle in 1 und, oder 3 dargestellte integrierte Zusatzfunktionen (50) und, oder integrierte Eigenschaften (60) sowie die zuvor beschriebenen Werkstoffe, Werkstoffkombinationen, Oberflächenfarben, Oberflächenausbildungen usw.
-
3 illustriert in einer dreidimensionalen Abbildung eine Einbauteilkomponente, Wandung (40) als oder für ein integrales dreidimensionales Element für bewegte Objekte (1, 10) mit verschiedenen integrierten Zusatzfunktionen (50), integrierten Eigenschaften (60) und Zusatzbauteilen (70) in räumlicher Darstellung. Die gezeigte Einbauteilkomponente (40) kann ein- oder mehrstückig aufgebaut sein und integrativer Bestandteil eines integralen dreidimensionalen Elementes (1, 10) oder auch ein solches sein. Im gezeigten Beispiel ist eine Wabenstruktur (61) kernbildend zwischen einer ersten und wenigstens einer zweiten Wandfläche (41) für ein Wandelement (40).
-
In der Wabenstruktur (61) beziehungsweise zwischen den Wandflächen (41) kann eine integrale Kabelkanalfunktion (50) beispielsweise für eine Leuchtkörperzuleitung (54, 75) vorgesehen sein. Wenigstens eine Wandungsfläche (41) kann integrierte Eigenschaften (60) durch Gewinde (61) in einstückiger Weise beinhalten und weiterhin separate Zusatzbauteile (70) wie beispielsweise Leuchtkörper (73) und, oder Schrauben (74) aufweisen. Auch die in 3 abgebildete Einbauteilkomponente, Wandung (40) für ein integrales dreidimensionales Element für bewegte Objekte (1, 10) mit verschiedenen integrierten Zusatzfunktionen (50), integrierten Eigenschaften (60) und Zusatzbauteilen (70) kann optional, additiv und alternativ alle zuvor genannten integrierten Zusatzfunktionen (50), integrierten Eigenschaften (60) sowie separate Zusatzbauteile (70) und die zuvor beschriebenen Werkstoffe, Werkstoffkombinationen, Oberflächenfarben, Oberflächenausbildungen usw. aufweisen.
