WO2021089267A1 - Verfahren zum herstellen eines kolbens mit additiv gefertigter zwischenstruktur - Google Patents

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WO2021089267A1
WO2021089267A1 PCT/EP2020/078113 EP2020078113W WO2021089267A1 WO 2021089267 A1 WO2021089267 A1 WO 2021089267A1 EP 2020078113 W EP2020078113 W EP 2020078113W WO 2021089267 A1 WO2021089267 A1 WO 2021089267A1
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piston
intermediate structure
inner structure
shape
rod
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PCT/EP2020/078113
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Olaf Rehme
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a piston.
  • Such a piston comes z. B. used in piston compressors. These are used to compress technical gases such as air or nitrogen.
  • the pistons used for this purpose fulfill the task of compressing a volume of the gas sucked into a cylinder and conveying it into a pressure vessel. For this purpose, this piston moves along the cylinder wall to which it should be sealed as well as possible. Furthermore, the piston itself must seal the cross-section of the cylinder as well as possible so as not to cause any unnecessary pressure loss.
  • the piston is guided by a rod (also known as a push rod) that is driven by a crankshaft.
  • Pistons according to the prior art are typically produced as cast products, which, however, often have an unfavorably long procurement time and a massive construction.
  • the massive construction limits the energy available for compression and increases the wear and tear on the components involved.
  • the invention is based on the object of specifying a method for producing a piston which overcomes the disadvantages of a pure cast product and can be carried out in an economical and time-saving manner.
  • the piston should have an internal structure, an intermediate structure and an external structure.
  • the method comprises the following steps in an exemplary order.
  • additive manufacturing of the inner structure and at least parts of the intermediate structure is provided.
  • the inner structure is manufactured in such a way that it is designed to accommodate a connecting rod or a rod.
  • the inner structure and the intermediate structure can be manufactured in such a way that they form a monolithic structure.
  • an external structure to be provided, which essentially forms a hollow cylinder around the intermediate structure, and for the intermediate structure to be joined to the external structure so that the piston is formed.
  • the filler being, for example, a metal with a low melting point
  • the method comprises the steps:
  • the method comprises the steps:
  • the piston can have an inner structure which is designed to receive and / or attach a connecting rod and / or a Stan ge.
  • a connecting rod and / or a Stan ge can be provided for example, a press fit can be provided for a thrust piston.
  • Conventional connecting rod receptacles can also be provided here.
  • the piston has an outer structure which has a jacket surface and an end surface. It is also possible for the piston to have two end faces which are each attached to the axial ends of the piston. When the piston is installed, the end face delimits a space in the cylinder, i.e. the combustion chamber in an internal combustion engine and the compression chamber in a compressor.
  • the jacket surface moves along the cylinder walls and, if necessary, uses piston rings to seal the space.
  • the piston can furthermore have an intermediate structure which connects the inner structure with the outer structure and is at least partially manufactured in an additive manner.
  • SLS Selective laser sintering
  • LBM laser beam melting
  • EBM electron beam melting
  • the inner structure and the intermediate structure are monolithic.
  • the inner structure and the intermediate structure are thus formed in one piece and can advantageously be manufactured additively in one process step.
  • the advantage is that the inner structure and the intermediate structure can be matched to one another and, for example, reinforcements of the intermediate structure can be provided on the receptacle for the rod or the connecting rod.
  • This has the further advantage that the outer structure can be manufactured inexpensively and industrially readily available using conventional methods and can be joined to the intermediate structure. So the piston could go out a monolithically connected inner structure with an intermediate structure in connection with an outer structure made available as a semi-finished product.
  • the intermediate structure has a multiplicity of branched structures starting from the inner structure.
  • the branched structures connect the inner structure with the outer structure.
  • This intermediate structure can be constructed like a tree, bionically or by means of topological optimization. The advantage of such a branched structure is a significantly lower weight with high strength.
  • the branched structures are not arranged orthogonally with respect to the central axis of the piston.
  • the branched structures have an overhang angle that is larger or smaller than a right angle. This has the advantage that the branched structures are easier to manufacture and, in addition, they are more resistant to shear stresses.
  • the jacket surface and / or the end surfaces are produced by means of a thermal spraying process.
  • the inner structure with the intermediate structure already attached to it can be introduced into a mold, for example a tube, and filled with a low-melting material.
  • the mold is removed and the jacket and / or the end surface is sprayed onto the low-melting material.
  • the low-melting material can then be removed and the jacket / end surface remains.
  • Cold gas spraying is preferably used here.
  • the surfaces are therefore designed as cold-gas-sprayed surfaces or as thermally sprayed surfaces. This has the advantage that the properties of the sprayed surfaces, which are positive, for example in terms of tribology, can be used directly as a jacket or end face.
  • the intermediate structure has branches in the ratio n: m starting from the inner structure; n is greater than or equal to m. In other words, the branching becomes finer and finer radially outwards.
  • n can also be greater than or equal to m.
  • the branches from the outer structure in the direction of the inner structure, that is to say radially inward are increasingly finely branched.
  • the two embodiments can be combined with one another and so the piston can have a branch that becomes finer and finer in some areas in a radially outward or radially inward direction. This can be made dependent on the load on the respective sub-areas of the piston.
  • the jacket surface is designed as a tube that is joined to the intermediate structure.
  • the tube can consist of a material that is specialized for use as a piston, e.g. with regard to its tribological properties.
  • the tube can provide recesses through which the tube is joined to the intermediate structure, for example welded and / or soldered, whoever can.
  • the intermediate structure has branched structures which are designed to be hollow on the inside. Hollow structures are lighter and, with the same or lower weight and slightly larger diameter, also more rigid than their filled equivalents.
  • the intermediate structure thus has hollow structures, in particular branched hollow structures.
  • the intermediate structure and the outer structure are joined to one another.
  • the intermediate structure is accordingly joined to the outer structure using a joining process.
  • thermal joining processes come into play, e.g. B. welding processes, or other joining processes that produce material connections in question.
  • FIG. 1 shows a compressor with an embodiment of a piston according to the invention
  • FIG. 3 shows a tube as an external structure for the method from FIG. 2
  • FIG. 5 shows a further step of the method according to FIG. 4.
  • FIG. 1 shows a compressor 50 with a first compression chamber Kl and a second compression chamber K2, which are separated from a piston 100, which is a schematic embodiment of the present invention.
  • the compressor 50 also has four valves VI, V2, one of which is a valve VI above for each of the compression chambers Kl, K2 and a valve V2 below for each of the compression chambers Kl, K2.
  • the piston 100 is driven by a rod 200.
  • the rod 200 is fastened in an inner structure 110; this can be done by means of a press fit with the application of heat on a component and on a second component that is cooled relative thereto.
  • An intermediate structure 120 in this case has branches 150 which are only shown schematically and do not fill the piston 100 or the intermediate structure 120 for the sake of clarity.
  • the intermediate structure 120 would have to be completely filled with the branches 150 shown in order to obtain the highest possible stability. It is possible that branches 150 also emanate further branches.
  • the piston 100 has two end faces 132, one of the end faces 132 being penetrated by a rod 200 and the other end face 132 being closed.
  • a jacket surface 131 can also be seen as part of an outer structure 130, which in this case can be optimized for friction, for example.
  • the piston 100 is designed to accommodate a connecting rod, the compressor 50 then also being able to have only one compression chamber K1 or K2.
  • FIG. 2 shows an embodiment of an intermediate step of a method for producing the piston 100, as is known from FIG. It is z. B. by means of a selective laser beam melt as the inner structure 110 is a tubular hollow shaft with a varying inner diameter correspondingly with a form-fitting receptacle 112 of the piston 100 driving rod 200.
  • a material for. B. an aluminum or titanium material can be used.
  • a multiply branched inter mediate structure 120 branches off in both the radial and axial directions.
  • the intermediate structure 120 can be manufactured in layers together with the inner structure 110 by means of selective laser beam melting in one step.
  • This intermediate structure 120 can be constructed like a tree, bionically or by means of topological optimization.
  • the multiple branching can be designed as a 1: 1, l: m, n: l or n: m branch.
  • four branches 151, 152, 153, 154 can be seen by way of example.
  • the branch 151 has a ratio of 1: 1.
  • the branch 151 also has an angle on which in this case is not at right angles to the reference axis, that is to say, for example, the axis of the rod 200.
  • Branch 152 has a ratio of n: 1.
  • Branch 153 has a ratio of n: m.
  • Branch 154 has a ratio of 1: m.
  • n stands for the number of branches on the inner structure 110 and m for the number of branches that extend to the outer structure 130.
  • the envelope around these structures 110, 120 is cylindrical, corresponding to the geometry of the piston 100. It forms the mechanical connection between the piston outer wall, that is to say the jacket surface, and the internal form-fitting receptacle 112 of the rod.
  • the simultaneous alignment of the Branches 151, 152, 153, 154 in the axial direction favorably, since this structure can be produced without further supports in powder-bed-based laser beam melting.
  • a partial axial alignment has the effect of reducing the shear forces on the overall structure of the piston 100.
  • FIG. 3 shows a tube (e.g. manufactured conventionally) as an outer structure 130 into which the structure 110, 120 known from FIG. 2 can be placed.
  • the tube can e.g. B. consist of an aluminum or titanium alloy and have a defined wall thickness, the outer diameter of the inter mediate structure 120 corresponds approximately to the inner diameter of the tube, ie the outer structure 130.
  • Openings 133 can be specifically provided in the pipe at the points at which a connection between the intermediate structure 120 and the outer structure 130 (that is to say the pipe) is to be provided. Both parts, i.e. the outer structure 130 and the inner structure 110 with the intermediate structure 120, are aligned with one another and the intermediate structure 120 is joined to the outer structure 130 via the bores, using any joining method, e.g.
  • this can be a powder or wire-based process that is performed by means of thermal joining, e.g. B. cladding, a fusion metallurgical connection or that creates a fixed connection by means of cold welding, e.g. cold gas spraying.
  • the tube is open on both sides and does not yet have an end face 132.
  • the pipe can be set up as an outer structure with the now inserted inner structure and intermediate structure in the axial direction, for example so that the lower side is sealed. Thereafter, a low melting point material is liquid filled into the resulting cavity.
  • the poured-in material can be, for example, a polymer or a very low-melting metal or metal alloy (e.g. tin or Wood's metal).
  • a production of end surfaces z. B. be done by means of cold gas spraying with an aluminum or titanium powder.
  • openings for servicing smaller openings can be provided on the end faces 132 through which the poured-in material (including filler material) is removed again by melting. The openings can then be closed with screw caps.
  • the inner structure 110 with the intermediate structure 120 can be brought into any desired tube of suitable inner diameter and the resulting cavity can be filled with a material of low melting temperature. This is done without joining the pipe to the intermediate structure.
  • the tube which here only serves as a mold, can then be removed (demolded) so that the outer structure 130, i.e. the jacket surface 131 and the end surface 132 of the piston 100 can now be produced, e.g. by means of cold gas spraying.
  • smaller openings can be provided in the end faces 132, through which the one cast material is removed again by melting. The openings can then be closed with screw caps.
  • FIG. 4 shows a further embodiment in which a mold F for an intermediate structure 120 and an inner structure 110 are produced by means of polymer 3D printing.
  • FIG. 5 shows the form F from FIG. B. cold gas spraying, is completely coated, so that a rigid and solid metallic structure 110, 120 is formed. Then the inner polymer of the form F is melted out or washed out and the multiply branched, for example tree-like, remains Ge, bionic or topologically optimized intermediate structure 120 with an inner structure 110.
  • the intermediate structure 120 is constructed similarly to that from FIG. 2, with the difference that it has branches with a hollow structure 155. This is advantageous because a tube of the same mass as a rod made of solid material is known to have a higher Biegestei strength, which thus contributes to increasing the overall stiffness of the piston and is advantageous from a lightweight construction point of view.
  • the invention relates to a piston 100 and a method for producing a piston 100.
  • the piston have the following features:
  • an inner structure 110 which is designed to receive and / or fasten a connecting rod and / or a rod 200
  • an outer structure 130 which has a lateral surface 131 and an end surface 132
  • an intermediate structure 120 which connects the inner structure 110 to the outer structure 130 and is at least partially manufactured in an additive manner.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (100). Um die Nachteile eines als reines Gussprodukt ausgestalteten Kolbens (100) zu überwinden und dabei wirtschaftlich und zeitlich optimal zu fertigen wird vorgeschlagen, dass der Kolben folgende Merkmale aufweist: - eine innere Struktur (110), die zur Aufnahme und/oder Befestigung eines Pleuels und/oder einer Stange (200) ausgebildet ist, - eine äußere Struktur (130), die eine Mantelfläche (131) sowie eine Endfläche (132) aufweist, und - eine Zwischenstruktur (120), die die innere Struktur (110) mit der äußeren Struktur (130) verbindet und zumindest teilweise additiv gefertigt ist.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens mit additiv gefertig ter Zwischenstruktur
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens.
Ein derartiger Kolben kommt dabei z. B. bei Kolben- Kompressoren zum Einsatz. Diese dienen der Verdichtung von technischen Gasen, wie z.B. Luft oder Stickstoff. Die dazu verwendeten Kolben erfüllen dabei die Aufgabe ein in einen Zylinder eingesaugtes Volumen des Gases zu verdichten und in einen Druckbehälter zu befördern. Dazu bewegt sich dieser Kolben entlang der Zylinderwand zu der er möglichst gut abge dichtet sein sollte. Ferner muss der Kolben selbst den Quer schnitt des Zylinders möglichst gut abdichten, um keinen un nötigen Druckverlust zu verursachen. Der Kolben wird von ei ner Stange (auch Schubstange) geführt, die durch eine Kurbel welle angetrieben wird.
Kolben nach dem Stand der Technik entstehen typischerweise als Gussprodukte, die jedoch oft eine ungünstig hohe Beschaf fungszeit und eine massive Bauweise aufweisen. Die massive Bauweise limitiert dabei die zur Kompression zur Verfügung stehende Energie und erhöht den Verschleiß auf die beteilig ten Komponenten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Kolben anzugeben, das die Nachteile eines reinen Gussprodukts überwindet und dabei wirtschaftlich und zeitlich optimal auszuführen ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Der Kolben soll eine innere Struktur, eine Zwischenstruktur und eine äußere Struktur aufweisen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte in einer beispielhaften Reihenfolge.
In einem ersten Schritt ist ein additives Fertigen der inne ren Struktur und zumindest von Teilen der Zwischenstruktur vorgesehen. Die innere Struktur wird so gefertigt, dass diese zur Aufnahme eines Pleuels oder einer Stange ausgebildet ist. Die innere Struktur und die Zwischenstruktur können dabei so gefertigt werden, dass diese eine monolithische Struktur bil den.
In einem darauffolgenden zweiten Schritt ist ein Bereitstel len einer äußeren Struktur vorgesehen, die im Wesentlichen einen Hohlzylinder um die Zwischenstruktur bildet und das Fü gen der Zwischenstruktur an die äußere Struktur, sodass sich der Kolben bildet.
In einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zum Her stellen eines Kolbens werden die folgenden Schritte durchge führt:
- additives Fertigen der inneren Struktur und zumindest von Teilen der Zwischenstruktur, wobei die innere Struktur so ge fertigt wird, dass diese zur Aufnahme eines Pleuels oder ei ner Stange ausgebildet ist,
- Bereitstellen einer äußeren Form, die im Wesentlichen einen Hohlzylinder um die Zwischenstruktur bildet,
- Auffüllen der sich bildenden Hohlräume mit einem Füllstoff, wobei der Füllstoff beispielsweise ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt ist,
- Entfernen der äußeren Form und
- Aufträgen der äußeren Struktur auf die Zwischenstruktur und den Füllstoff, sodass sich der Kolben bildet. Das Aufträgen wird vorzugsweise durch ein Beschichtungsverfahren, insbeson dere durch ein thermisches Spritzverfahren, wie z. B. Kalt gasspritzen durchgeführt. Anschließend wird der Füllstoff entfernt, beispielsweise durch ein Aufschmelzen eines Metalls / Kunststoffs mit im Vergleich zum Material des Kolbens nied rigem Schmelzpunkt. In einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zum Her stellen eines Kolbens mit einer inneren Struktur, einer Zwi schenstruktur und einer äußeren Struktur umfasst das Verfah ren die Schritte:
- additives Fertigen einer Form für die innere Struktur und für zumindest Teile der Zwischenstruktur, wobei die Form so gefertigt wird, dass die innere Struktur zur Aufnahme eines Pleuels oder einer Stange ausgebildet ist,
- Aufträgen der Zwischenstruktur und zumindest von Teilen der äußeren Struktur mit einem thermischen Spritzverfahren,
- Entfernen der Form,
- Bereitstellen einer äußeren Form, die im Wesentlichen einen Hohlzylinder um die Zwischenstruktur bildet,
- Auffüllen der sich bildenden Hohlräume mit einem Füllstoff
- Entfernen der äußeren Form und
- Aufträgen der äußeren Struktur auf die Zwischenstruktur und den Füllstoff, sodass sich der Kolben bildet.
In einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zum Her stellen eines Kolbens mit einer inneren Struktur, einer Zwi schenstruktur und einer äußeren Struktur umfasst das Verfah ren die Schritte:
- additives Fertigen einer Form für die innere Struktur und für zumindest Teile der Zwischenstruktur, wobei die Form so gefertigt wird, dass die innere Struktur zur Aufnahme eines Pleuels oder einer Stange ausgebildet ist,
- Aufträgen der Zwischenstruktur und zumindest von Teilen der äußeren Struktur mit einem thermischen Spritzverfahren,
- Entfernen der Form,
- Bereitstellen einer äußeren Struktur, die im Wesentlichen einen Hohlzylinder um die Zwischenstruktur bildet und
- Fügen der Zwischenstruktur an die äußere Struktur, sodass sich der Kolben bildet.
Der Kolben kann eine innere Struktur aufweisen, die zur Auf nahme und/oder Befestigung eines Pleuels und/oder einer Stan ge ausgebildet ist. Je nach Anwendungszweck des Kolbens kön- nen verschiedenartige Aufnahmen vorgesehen sein beispielswei se kann eine Presspassung für einen Schubkolben vorgesehen sein. Auch übliche Pleuelaufnahmen können hier vorgesehen sein.
Weiterhin weist der Kolben eine äußere Struktur auf, die eine Mantelfläche und eine Endfläche aufweist. Ebenso ist möglich, dass der Kolben zwei Endflächen aufweist, die jeweils an den axialen Enden des Kolbens angebracht sind. Die Endfläche be grenzt dabei im eingebauten Zustand des Kolbens einen Raum im Zylinder, bei einer Verbrennungsmaschine also den Brennraum und bei einem Kompressor den Kompressionsraum. Die Mantelflä che bewegt sich entlang der Zylinderwände und sorgt dabei ggf. mit Kolbenringen für eine Abdichtung des Raumes.
Der Kolben kann weiterhin eine Zwischenstruktur aufweisen, die die innere Struktur mit der äußeren Struktur verbindet und zumindest teilweise additiv gefertigt ist. Auf diese Wei se können die Vorteile der additiven Fertigung mit den Vor teilen von Halbzeugen, bspw. Rohren, verbunden werden. Zur additiven Fertigung kommen z. B. Selektives Laser-Sintern (im Englischen: selective laser sintering - SLS), Laser- Strahlschmelzen (laser beam melting - LBM), Elektronen strahlschmelzen (electron beam melting - EBM), Kombinationen derselben und/oder vergleichbarer Verfahren in Frage.
In einer weiteren Ausführungsform werden die innere Struktur und die Zwischenstruktur monolithisch ausgebildet. Die innere Struktur und die Zwischenstruktur sind also einstückig ausge bildet und können dabei vorteilhaft additiv in einem Prozess schritt gefertigt werden. Der Vorteil ist, dass die innere Struktur und die Zwischenstruktur aufeinander abgestimmt wer den können und beispielsweise an der Aufnahme für die Stange bzw. des Pleuels Verstärkungen der Zwischenstruktur vorgese hen sein können. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die äu ßere Struktur mit herkömmlichen Verfahren günstig und indust riell gut verfügbar hergestellt werden kann und an die Zwi schenstruktur gefügt werden kann. So könnte der Kolben aus einer monolithisch verbundenen inneren Struktur mit Zwischen struktur in Verbindung mit einer als Halbzeug zur Verfügung gestellten äußeren Struktur aufgebaut sein.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Zwischenstruktur ausgehend von der inneren Struktur eine Vielzahl von ver zweigten Strukturen auf. Die verzweigten Strukturen verbinden dabei die innere Struktur mit der äußeren Struktur. Diese Zwischenstruktur kann baumartig, bionisch oder mittels topo logischer Optimierung konstruiert sein. Der Vorteil einer derartigen verzweigten Struktur ist ein deutlich geringeres Gewicht bei hoher Festigkeit.
In einer weiteren Ausführungsform werden zumindest Teile der verzweigten Strukturen nicht orthogonal bezüglich der Mittel achse des Kolbens angeordnet. In anderen Worten weisen die verzweigten Strukturen einen Überhangwinkel auf, der größer oder kleiner eines rechten Winkels ist. Dies hat den Vorteil, dass die verzweigten Strukturen so besser zu fertigen sind und sich darüber hinaus eine höhere Widerstandsfähigkeit ge genüber Scherbeanspruchungen einstellt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Mantelfläche und/oder die Endflächen mittels eines thermischen Spritzver fahrens hergestellt. Dazu kann die innere Struktur mit der bereits daran gefügten Zwischenstruktur in eine Form, z.B. ein Rohr eingebracht werden und mit einem niedrigschmelzenden Material gefüllt werden. Die Form wird entfernt und auf das niedrigschmelzende Material wird der Mantel und/oder die End fläche aufgesprüht. Anschließend kann das niedrigschmelzende Material entfernt werden und die Mantel-/Endfläche bleibt be stehen. Vorzugsweise kommt hier das Kaltgasspritzen zum Ein satz. Die Flächen sind also als kaltgasgespritzte Flächen o- der als thermisch gespritzte Flächen ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die, z.B. hinsichtlich der Tribologie, po sitiven Eigenschaften der gespritzten Oberflächen direkt als Mantel bzw. Endfläche zum Einsatz kommen kann. In einer weiteren Ausführungsform weist die Zwischenstruktur Verzweigungen im Verhältnis von n:m ausgehend von der inneren Struktur auf; n ist dabei größer oder gleich m. In anderen Worten wird die Verzweigung radial nach außen immer feiner.
In einer weiteren Ausführungsform kann n auch größer oder gleich m sein. In diesem Fall werden die Verzweigungen von der äußeren Struktur in Richtung der inneren Struktur, also radial nach innen, immer feiner verzweigt. Die beiden Ausfüh rungsformen können miteinander kombiniert werden und so kann der Kolben in Teilbereichen eine radial nach außen bzw. radi al nach innen verlaufend feiner werdende Verzweigung aufwei sen. Dies kann von der Belastung der jeweiligen Teilbereiche des Kolbens abhängig gemacht werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Mantelfläche als ein Rohr ausgebildet das an die Zwischenstruktur gefügt wird. Das Rohr kann dabei aus einem Material bestehen, das auf die Anwendung als Kolben spezialisiert ist, z.B. hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften. Das Rohr kann dabei Ausnehmun gen vorsehen durch die das Rohr mit der Zwischenstruktur ge fügt, also beispielsweise verschweißt und/oder gelötet, wer den kann.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Zwischenstruktur verzweigte Strukturen auf, die innen hohl ausgestaltet sind. Hohle Strukturen sind leichter und bei gleichem oder niedri gerem Gewicht und geringfügig erhöhtem Durchmesser auch bie gesteifer als deren ausgefüllte Äquivalente. Die Zwischen struktur weist also Hohlstrukturen, insbesondere verzweigte Hohlstrukturen, auf.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Zwischenstruktur und die äußere Struktur aneinandergefügt. Die Zwischenstruk tur wird dementsprechend durch ein Fügeverfahren an die äuße re Struktur gefügt. Hier kommen Verfahren des thermischen Fü- gens, z. B. Schweißverfahren, oder weitere Fügeverfahren, die stoffschlüssige Verbindungen erzeugen in Frage. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen:
FIG 1 einen Kompressor mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens,
FIG 2 eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstel len des Kolbens,
FIG 3 zeigt ein Rohr als äußere Struktur für das Verfah ren aus FIG 2
FIG 4 eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens und
FIG 5 ein weiterer Schritt des Verfahrens nach FIG 4.
FIG 1 zeigt einen Kompressor 50 mit einer ersten Kompressi onskammer Kl und einer zweiten Kompressionskammer K2, die von einem Kolben 100, der eine schematische Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt, getrennt sind. Der Kompres sor 50 weist weiterhin vier Ventile VI, V2 auf, davon jeweils ein Ventil VI obenliegend für jede der Kompressionskammern Kl, K2 und jeweils ein Ventil V2 untenliegend für jede der Kompressionskammern Kl, K2. Der Kolben 100 wird durch eine Stange 200 angetrieben. Die Stange 200 ist in einer inneren Struktur 110 befestigt, dies kann durch eine Presspassung un ter Anwendung von Wärme an einem Bauteil und von einem rela tiv dazu abgekühlten zweiten Bauteil geschehen. Eine Zwi schenstruktur 120 weist in diesem Fall Verzweigungen 150 auf, die nur schematisch eingezeichnet sind und der Übersichtlich keit wegen den Kolben 100 bzw. die Zwischenstruktur 120 nicht ausfüllen. Die Zwischenstruktur 120 wäre in einem realen Kol ben vollständig mit den gezeigten Verzweigungen 150 auszufül len, um eine möglichst hohe Stabilität zu erhalten. Es ist möglich das von Verzweigungen 150 auch weitere Verzweigungen ausgehen. Der Kolben 100 hat in diesem Fall zwei Endflächen 132 wobei eine der Endflächen 132 von einem Stab 200 durch drungen ist und die weitere Endfläche 132 geschlossen ist. Auch eine Mantelfläche 131 ist als Teil einer äußeren Struk tur 130 zu sehen, die in diesem Fall beispielsweise auf Rei bung optimiert sein kann. Nicht gezeigt aber ebenfalls mög- lieh ist, dass der Kolben 100 zur Aufnahme eines Pleuels aus gebildet ist, wobei der Kompressor 50 dann auch nur eine Kom pressionskammer Kl oder K2 aufweisen kann.
FIG 2 zeigt eine Ausführungsform eines Zwischenschritts eines Verfahrens zum Herstellen des Kolbens 100, wie er aus FIG 1 bekannt ist. Es wird z. B. mittels selektivem Laserstrahl schmelzen als innere Struktur 110 eine rohrartige Hohlwelle mit variierendem Innendurchmesser entsprechend mit einer formschlüssigen Aufnahme 112 der den Kolben 100 antreibenden Stange 200 hergestellt. Als Werkstoff kann z. B. ein Alumini um- oder Titanwerkstoff eingesetzt werden. Vom äußeren Umfang der inneren Struktur 110 zweigt eine vielfach verzweigte Zwi schenstruktur 120 in sowohl radialer als auch in axialer Richtung ab. Die Zwischenstruktur 120 kann zusammen mit der inneren Struktur 110 mittels selektivem Laserstrahlschmelzens in einem Schritt schichtweise gefertigt werden.
Diese Zwischenstruktur 120 kann baumartig, bionisch oder mit tels topologischer Optimierung konstruiert sein. Die vielfa che Verzweigung kann ausgelegt sein als 1:1-, l:m-, n:l- oder n:m-Verzweigung . Im vorliegenden Fall sind beispielhaft vier Verzweigungen 151, 152, 153, 154 zu sehen. Die Verzweigung 151 weist ein Verhältnis von 1:1 auf. Die Verzweigung 151 weist weiterhin einen Winkel auf der in diesem Fall nicht rechtwinklig auf der Bezugsachse, also zum Beispiel der Achse der Stange 200 steht. Die Verzweigung 152 weist ein Verhält nis von n:l auf. Die Verzweigung 153 weist ein Verhältnis von n:m auf. Die Verzweigung 154 weist ein Verhältnis von l:m. Dabei steht n für die Anzahl der Äste an der inneren Struktur 110 und m für die Anzahl der Äste, die an die äußere Struktur 130 reichen.
Die Umhüllende um diese Strukturen 110, 120 ist entsprechend der Geometrie des Kolbens 100 zylinderförmig. Sie bildet die mechanische Verbindung zwischen der Kolbenaußenwand, also der Mantelfläche, und der innenliegenden formschlüssigen Aufnahme 112 der Stange. Dabei ist die gleichzeitige Ausrichtung der Verzweigungen 151, 152, 153, 154 in axialer Richtung (z.B. unter 45° Winkel zur Bewegungsrichtung des Kolbens orien tiert) günstig, da sich diese Struktur ohne weitere Abstüt zungen im pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen hersteilen lässt. Ferner bewirkt eine teilweise axiale Ausrichtung eine Verringerung der Scherkräfte auf die Gesamtstruktur des Kol bens 100.
FIG 3 zeigt ein Rohr (z. B. konventionell gefertigt) als äu ßere Struktur 130, in das die aus FIG 2 bekannte Struktur 110, 120 verbracht werden kann. Das Rohr kann z. B. aus einer Aluminium- oder Titanlegierung bestehen und eine definierte Wandstärke aufweisen, wobei der Außendurchmesser der Zwi schenstruktur 120 ungefähr dem Innendurchmesser des Rohrs, also der äußeren Struktur 130 entspricht. In das Rohr können gezielt an den Stellen Öffnungen 133 vorgesehen werden, an denen eine Verbindung zwischen der Zwischenstruktur 120 und der äußeren Struktur 130 (also dem Rohr) vorgesehen werden sollen. Beide Teile, also die äußere Struktur 130 und die in nere Struktur 110 mit der Zwischenstruktur 120, werden zuei nander ausgerichtet und die Zwischenstruktur 120 über die Bohrungen mit der äußeren Struktur 130 gefügt, wobei ein be liebiges Fügeverfahren zum Einsatz kommen kann, z.B. Schwei ßen oder Hartlöten. Im speziellen kann dieses jedoch ein pul- ver- oder drahtbasiertes Verfahren sein, das mittels thermi schen Fügens, z. B. Auftragschweißen, eine schmelzmetallurgi sche Verbindung herstellt oder das mittels Kaltverschweißung, z.B. Kaltgasspritzen, eine feste Verbindung herstellt.
Im vorliegenden Fall ist das Rohr beidseitig offen und weist noch keine Endfläche 132 auf. Das Rohr kann als äußere Struk tur mit der nun eingefügten inneren Struktur und Zwischen struktur in axialer Richtung aufgestellt werden, z.B. so dass die untere Seite abgedichtet wird. Danach wird ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt flüssig in den sich ergebenden Hohlraum gefüllt. Dabei kann es sich bei dem eingegossenen Material um beispielsweise ein Polymer oder auch um ein sehr niedrig schmelzendes Metall oder Metalllegierung handeln (z.B. Zinn oder Wood'sches Metall). Nachdem der Innenraum der äußeren Struktur 130 vollständig ausgefüllt ist, kann nun auf einer oder beiden der Stirnseiten eine Herstellung von End flächen z. B. mittels Kaltgasspritzen mit einem Aluminium oder Titanpulver erfolgen.
Um sowohl ein optimales Leichtbauergebnis zu erzielen als auch Öffnungen für den Servicefall vorzusehen, können an den Endflächen 132 kleinere Öffnungen vorgesehen werden, durch die das eingegossene Material (auch Füllmaterial) durch Auf schmelzen wieder entfernt wird. Die Öffnungen können danach mit Schraubverschlüssen verschlossen werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die innere Struk tur 110 mit der Zwischenstruktur 120 in ein beliebiges Rohr von passendem Innendurchmesser gebracht werden und der ent stehende Hohlraum mit einem Material niedriger Schmelztempe ratur gefüllt werden. Dies geschieht ohne ein Fügen des Rohrs an die Zwischenstruktur. Anschließend kann das Rohr, das hier nur als Form dient, entfernt (entformt) werden, so dass nun, z.B. mittels Kaltgasspritzen, die äußere Struktur 130, also die Mantelfläche 131 und die Endfläche 132 des Kolbens 100 hergestellt werden kann. Auch hier können in den Endflächen 132 kleinere Öffnungen vorgesehen werden, durch die das ein gegossene Material durch Aufschmelzen wieder entfernt wird. Die Öffnungen können danach mit Schraubverschlüssen ver schlossen werden.
FIG 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der mittels Po- lymer-3D-Druck eine Form F für eine Zwischenstruktur 120 und eine innere Struktur 110 gefertigt werden.
FIG 5 zeigt die Form F aus FIG 4, die im weiteren Verlauf mittels eines Beschichtungsverfahrens, z. B. Kaltgasspritzen, vollständig beschichtet wird, so dass eine steife und feste metallische Struktur 110, 120 entsteht. Anschließend wird das innenliegende Polymer der Form F ausgeschmolzen oder ausgewa schen und es verbleibt die vielfach verzweigte z.B. baumarti- ge, bionische oder topologisch optimierte Zwischenstruktur 120 mit einer inneren Struktur 110. Die Zwischenstruktur 120 ist ähnlich der aus FIG 2 aufgebaut, mit dem Unterschied, dass diese Verzweigungen mit einer Hohlstruktur 155 aufweist. Dieses ist von Vorteil, da ein Rohr gleicher Masse wie ein Stab aus Vollmaterial bekanntermaßen eine höhere Biegestei figkeit aufweist, was somit zur Erhöhung der Gesamtsteifig keit des Kolbens beiträgt und aus Leichtbausicht vorteilhaft ist.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Kolben 100 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens 100. Um die Nach teile eines als reines Gussprodukt ausgestalteten Kolbens zu überwinden und dabei wirtschaftlich und zeitlich optimal zu fertigen wird vorgeschlagen, dass der Kolben folgende Merkma le aufweist:
- eine innere Struktur 110, die zur Aufnahme und/oder Befes tigung eines Pleuels und/oder einer Stange 200 ausgebildet ist, - eine äußere Struktur 130, die eine Mantelfläche 131 sowie eine Endfläche 132 aufweist, und
- eine Zwischenstruktur 120, die die innere Struktur 110 mit der äußeren Struktur 130 verbindet und zumindest teilweise additiv gefertigt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (100) mit einer inneren Struktur (110), einer Zwischenstruktur (120) und ei ner äußeren Struktur (130), umfassend die Schritte:
- additives Fertigen der inneren Struktur (110) und zumindest von Teilen der Zwischenstruktur (120), wobei die innere Struktur (110) so gefertigt wird, dass diese zur Aufnahme ei nes Pleuels oder einer Stange 200 ausgebildet ist,
- Bereitstellen einer äußeren Struktur (130), die im Wesent lichen einen Hohlzylinder um die Zwischenstruktur (120) bil det und
- Fügen der Zwischenstruktur (120) an die äußere Struktur (130), sodass sich der Kolben bildet.
2. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (100) mit einer inneren Struktur (110), einer Zwischenstruktur (120) und ei ner äußeren Struktur (130), umfassend die Schritte:
- additives Fertigen der inneren Struktur (110) und zumindest von Teilen der Zwischenstruktur (120), wobei die innere Struktur (110) so gefertigt wird, dass diese zur Aufnahme ei nes Pleuels oder einer Stange 200 ausgebildet ist,
- Bereitstellen einer äußeren Form, die im Wesentlichen einen Hohlzylinder um die Zwischenstruktur (120) bildet,
- Auffüllen der sich bildenden Hohlräume mit einem Füllstoff
- Entfernen der äußeren Form und
- Aufträgen der äußeren Struktur (130) auf die Zwischenstruk tur (120) und den Füllstoff, sodass sich der Kolben bildet.
3. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (100) mit einer inneren Struktur (110), einer Zwischenstruktur (120) und ei ner äußeren Struktur (130), umfassend die Schritte:
- additives Fertigen einer Form (F) für die innere Struktur (110) und für zumindest Teile der Zwischenstruktur (120), wo bei die Form (F) so gefertigt wird, dass die innere Struktur (110) zur Aufnahme eines Pleuels oder einer Stange (200) aus gebildet ist,
- Aufträgen der Zwischenstruktur (120) und zumindest von Tei- len der äußeren Struktur (130) mit einem thermischen Spritz verfahren,
- Entfernen der Form (F),
- Bereitstellen einer äußeren Form, die im Wesentlichen einen Hohlzylinder um die Zwischenstruktur (120) bildet,
- Auffüllen der sich bildenden Hohlräume mit einem Füllstoff
- Entfernen der äußeren Form und
- Aufträgen der äußeren Struktur (130) auf die Zwischenstruk tur (120) und den Füllstoff, sodass sich der Kolben (100) bildet. Kolben (100) hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend:
- eine innere Struktur (110), die zur Aufnahme und/oder Be festigung eines Pleuels und/oder einer Stange (200) ausgebil det ist,
- eine äußere Struktur (130), die eine Mantelfläche (131) so wie eine Endfläche (132) aufweist, und
- eine Zwischenstruktur (120), die die innere Struktur (110) mit der äußeren Struktur (130) verbindet und zumindest teil weise additiv gefertigt ist.
4. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (100) mit einer inneren Struktur (110), einer Zwischenstruktur (120) und ei ner äußeren Struktur (130), umfassend die Schritte:
- additives Fertigen einer Form (F) für die innere Struktur (110) und für zumindest Teile der Zwischenstruktur (120), wo bei die Form (F) so gefertigt wird, dass die innere Struktur (110) zur Aufnahme eines Pleuels oder einer Stange (200) aus gebildet ist,
- Aufträgen der Zwischenstruktur (120) und zumindest von Tei len der äußeren Struktur (130) mit einem thermischen Spritz verfahren,
- Entfernen der Form (F),
- Bereitstellen einer äußeren Struktur (130), die im Wesent lichen einen Hohlzylinder um die Zwischenstruktur (120) bil det und
- Fügen der Zwischenstruktur (120) an die äußere Struktur (130), sodass sich der Kolben (100) bildet.
5. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die innere Struktur (110) und die Zwischenstruktur (120) monolithisch ausgebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenstruktur (120) ausgehend von der inneren Struktur (110) eine Vielzahl von verzweigten Strukturen (150) auf weist, die die innere Struktur (110) mit der äußeren Struktur (130) verbindet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest Teile der verzweigten Strukturen (150) nicht ortho gonal bzgl. der Mittelachse des Kolbens angeordnet sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mantelfläche (131) und/oder die Endfläche (132) mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Kaltgasspritzen, hergestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenstruktur (120) Verzweigungen (150) im Verhältnis n:m ausgehend von der inneren Struktur (110) aufweist, wobei n größer oder gleich m ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenstruktur (120) verzweigte Strukturen (150) mit Verzweigungen im Verhältnis n:m ausgehend von der inneren Struktur (110) aufweist, wobei n kleiner oder gleich m ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenstruktur (120) Hohlstrukturen (152), insbesondere verzweigte Hohlstrukturen aufweist.
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