DE102018123980A1

DE102018123980A1 - Verfahren zur Herstellung einer Hülse für eine hydraulische Spannbuchse sowie hydromechanisch spannbare Buchse

Info

Publication number: DE102018123980A1
Application number: DE102018123980.7A
Authority: DE
Inventors: Normann Koldrack; Klaus Brökel; Stefan Zorn
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-02

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren zur Herstellung einer Hülse für eine hydraulische Spannbuchse sowie eine hydromechanisch spannbare Buchse. Die hydraulische Spannbuchse wird im Wege eines 3D-Druckverfahrens aus einem schmelzfähigen Kunststoff hergestellt und verfügt jeweils über einen Hohlraum, der von einer Hohlraumwand der Hülse begrenzt wird und in dem sich ein Hydraulikfluid befindet. Bei einer Erhöhung des Innendrucks in dem Hohlraum wirken Druckkräfte gleichmäßig auf die Hohlraumwand, die sich dadurch nach außen bewegt.Wesentlich für das Herstellungsverfahren der hydromechanisch spannbaren Buchse ist, dass in einem Nachbearbeitungsschritt, welcher auf die eigentliche Herstellung durch 3D-Drucken folgt, ein Medium wenigstens bereichsweise auf eine Oberfläche der Hülse aufgebracht, der Kunststoff zumindest zeit- und/oder teilweise verflüssigt und so die Oberfläche geglättet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hülse für eine hydraulische Spannbuchse sowie eine hydromechanisch spannbare Buchse. Eine gattungsgemäße hydraulische Spannbuchse verfügt über eine Hülse, insbesondere eine rotationssymmetrische Hülse, mit einem Hohlraum, der von einer Hohlraumwand der Hülse begrenzt wird und in dem ein Hydraulikfluid derart eingeschlossen ist, dass sich bei der Druckbeaufschlagung des Hydraulikfluids und der damit verbundenen Druckerhöhung im Hohlraum die Hohlraumwand nach außen bewegt.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche hydraulische Spannbuchsen bekannt, mit denen sich auf vorteilhafte Weise kraftschlüssige Verbindungen zwischen unterschiedlichen Maschinenelementen realisieren lassen. Wesentlich bei diesen Spannbuchsen ist, dass diese im Inneren über eine einen Hohlraum bildende Kammer verfügen, in der sich ein Hydraulikfluid befindet. Bei einer gezielten Druckbeaufschlagung des Hydraulikfluids und der damit verbundenen Druckerhöhung in der Kammer, wirken auf die Begrenzungswände der Kammer gleichmäßig verteilte Druckkräfte, sodass sich die Begrenzungswände gleichmäßig nach außen bewegen und sich der Hohlraum vergrößert. Auf diese Weise können beispielsweise in einem Spalt zwischen einer innenliegenden Welle und einer außenliegenden Nabe angeordnete hydraulische Spannbuchsen verwendet werden, um eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der innenliegenden Welle und der außenliegenden Nabe herzustellen.
Wesentlich für die Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung ist stets, dass der Druck in der mit einem Hydraulikfluid, insbesondere einer Flüssigkeit, gefüllten Kammer erhöht wird. Die Druckerhöhung führt, entsprechend der Werkstoffeigenschaften zu einer Verformung der Kammer, da diese bestrebt ist, eine Form mit maximalem Volumen bei minimaler Oberfläche anzunehmen. Der Einsatz eines Hydraulikfluids gewährleistet in diesem Zusammenhang, dass der Druck an allen Kammerwänden gleichmäßig verteilt ist. Für den Fall, dass die Kammer als rotationssymmetrische Hülse geformt ist und in ihrer Verformung gehindert wird, kann so eine definierte Flächenpressung erzeugt werden.
Eine gattungsgemäße hydraulische Spannbuchse ist etwa aus der DE 26 39 320 A1 bekannt. Die Spannbuchse besteht aus einem äußeren und einem hierzu konzentrisch angeordneten inneren Rohrabschnitt, deren Enden mit einander verbunden sind, sodass im Inneren eine Kammer gebildet wird, die mit einem Hydraulikfluid gefüllt ist. Um den für die Ausdehnung des äußeren Rohrabschnitts erforderlichen Druck zu erreichen, ist innerhalb des Innenrohres ein bewegbarer Kolben angeordnet, durch dessen Bewegung sich der Druck innerhalb der Kammer bedarfsgerecht verändern lässt.
Von großer Bedeutung für die ordnungsgemäße Funktion einer hydraulischen Spannbuchse ist sowohl eine geeignete Werkstoffauswahl, als auch die erforderliche Druckdichtigkeit der Buchse. Insbesondere Undichtigkeiten, die zu einem unerwünschten Austreten von Hydraulikfluid und den damit verbundenen Problemen beim Aufbau des erforderlichen Innendrucks entstehen, müssen vermieden werden. Die bislang bekannten Spannbuchsen werden daher aus metallischen Werkstoffen gefertigt, sodass entsprechende Herstellkosten, bspw. für die mechanische Fertigung, üblich sind. Hierbei ist es oft problematisch, dass die Losgrößen für die Produktion von Spannbuchsen vergleichsweise gering sind und die Fertigung von Spannbuchsen für spezielle Anwendungsfälle vielfach erhebliche Änderungen der einzelnen Fertigungsschritte erfordern.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Spannbuchsen, die aus metallischen Werkstoffen, insbesondere aus speziellen Stählen, gefertigt sind, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Spannbuchse anzugeben, mit dem hydraulische Spannbuchsen für verschiedene Einsatzzwecke und mit unterschiedlichen Formen und Dimensionierungen auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Art herstellbar sind. Darüber hinaus sollte eine besonders flexible Fertigung bei gleichzeitig minimierten Fertigungszeiten umsetzbar sein. Auch die Wahl der oder des verwendeten Werkstoffes sollte derart getroffen werden, dass die mit dem neuen Verfahren hergestellten hydraulischen Spannbuchsen Kostenvorteile gegenüber bekannten Spannbuchsen aufweisen.
Wesentlich hierbei ist, dass die fertiggestellte Spannbuchse über eine ausreichende Druckfestigkeit bei gleichzeitig ausreichender Elastizität der einzelnen Elemente der Spannbuchse, insbesondere der die innere Kammer begrenzenden Wände, verfügt, damit sich die Außenflächen der Spannbuchse in genügendem Maße ausdehnen können, ohne dass es zu Schäden an der Buchse kommt.
Im Übrigen soll eine hydraulische Spannbuchse angegeben werden, die im Wesentlichen für die gleichen Einsatzzwecke unter vergleichbaren Bedingungen wie herkömmliche Buchsen einsetzbar ist. Insbesondere soll eine derartige Spannbuchse die Möglichkeit bieten, eine kraftschlüssige Verbindung zwischen zwei benachbarten Maschinenelementen, insbesondere zwischen einer Welle und einer Nabe, herzustellen, die trotz einer vergleichsweise einfachen Montage eine sichere und haltbare Verbindung zwischen den Maschinenelementen bietet und im Bedarfsfall auch wieder zu lösen ist, ohne dass es zu Beschädigungen an der Buchse oder den Maschinenelementen kommt.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie einer hydromechanisch spannbaren Buchse nach Anspruch 7 gelöst. Eine erfindungsgemäß vorgesehene Verwendung einer hydromechanisch spannbaren Buchse ist im Anspruch 12 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Herstellung einer doppelwandigen Hülse für eine hydraulische Spannbuchse mit einem Hohlraum zur Aufnahme und Druckbeaufschlagung eines Hydraulikfluids, mit den Schritten

- Erzeugen eines Datensatzes, der die Form, Kontur und Dimensionierung der Hülse repräsentiert und Generierung wenigstens eines Druckersteuersignals durch eine Steuereinheit unter Zugrundelegung des Datensatzes,
- auf der Grundlage des Druckersteuersignals Drucken einer ersten Schicht eines geschmolzenen Kunststoffs mit einer Druckerdüse auf eine Unterlage, wobei eine Relativbewegung zwischen Druckkopf und Unterlage initiiert wird,
- auf der Grundlage des Druckersteuersignals anschließendes Drucken wenigstens einer zweiten Schicht des geschmolzenen Kunststoffs mit der Druckerdüse derart, dass wenigstens eine zweite Schicht mit mindestens einer zuvor gedruckten Schicht wenigstens bereichsweise in Kontakt gebracht wird, wobei eine Relativbewegung zwischen Druckkopf und Unterlage initiiert wird,
- Wiederholen des Schrittes des Aufbringens wenigstens einer zweiten Schicht bis die Hülse die von dem Datensatz repräsentierte Form, Kontur und Dimensionierung aufweist und/oder sich innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs der von dem Datensatz repräsentierten Form, Kontur und Dimensionierung befindet sowie

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich somit um ein spezielles Druckverfahren, bei dem im Wege eines 3D-Drucks, die Hülse einer hydraulischen Spannbuchse hergestellt wird. Aufgrund des gewählten Herstellungsverfahrens ist es möglich, die Form, Geometrie, Kontur und/oder Dimensionierung der Hülse vergleichsweise frei zu wählen, insbesondere sind nahezu keine Beschränkungen hinsichtlich der Gestaltung der Hülse aufgrund des gewählten Herstellungsverfahrens vorhanden. Das gemäß der Erfindung als Hülse bezeichnete Bauteil kann unterschiedlich gestaltet sein. Eine Hülse gemäß der Erfindung ist vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgeführt, muss aber nicht derart gestaltet sein. Es kann ferner gekrümmte oder zumindest teilweise ebene Oberflächen aufweisen. Wesentlich ist stets, dass die Hülse einen Hohlraum oder Kammer aufweist, deren Begrenzungswände Dicht für das verwendete Hydraulikfluid, insbesondere flüssigkeitsdicht, eventuell sogar gasdicht, sind und in denen ein Hydraulikfluid mit einem erhöhten Druck beaufschlagt und/oder bevorratet werden kann. Der Hohlraum oder die Kammer sind somit entsprechend den vorgegebenen Betriebsbedingungen druckdicht ausgeführt, wobei die äußere Begrenzungswand beispielsweise doppelwandig ausgeführt ist oder geeignete Leitelemente vorgesehen sind, sodass sich die äußerste, den Hohlraum umgebende Außenwand, bei einer Druckerhöhung im Hohlraum nach außen bewegt und sich das Volumen des Hohlraums zumindest geringfügig vergrößert. Als Hydraulikfluid kommt ein zumindest in einem großen Druckbereich inkompressibles Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, ein Gel oder ein Gas zum Einsatz.
Im Anschluss an die eigentliche Herstellung der Hülse mittels Druckens, erfolgt ein Nachbearbeitungsschritt, bei dem erfindungsgemäß ein Medium wenigstens bereichsweise auf eine Oberfläche der Hülse aufgebracht wird, der Kunststoff zumindest zeit- und/oder teilweise verflüssigt wird und so die Oberfläche geglättet wird. Durch diesen Nachbearbeitungsschritt werden somit Unebenheiten, Löcher und/oder Risse auf oder in der Oberfläche wenigstens teilweise geschlossen und die Welligkeit der Oberfläche, wie sie bspw. in DIN 4760 definiert ist, verringert.
Die Erfindung basiert somit auf einem Verfahren zur Herstellung einer Hülse mit einem Hohlraum, der von einer Hohlraumwand der Hülse begrenzt wird. In dem Hohlraum ist ein Hydraulikfluid derart einschließbar und mit einem Druck beaufschlagbar, dass sich bei einer Druckbeaufschlagung des Hydraulikfluids die Hohlraumwand definiert nach außen bewegt und sich der Hohlraum vergrößert. Während der Herstellung werden mehrere Schichten, die vorzugsweise zylinder- oder raupenförmig ausgeführt sind, auf eine Unterlage aufgebracht. Die Unterlage und/oder ein Druckkopf, der die Schichten auf der Unterlage erzeugt, sind derart bewegbar, dass während des Druckvorgangs und/oder zwischen den einzelnen Druckschritten eine Relativbewegung zwischen Druckkopf und Unterlage in Abhängigkeit wenigstens eines Druckersteuersignals initiierbar ist. Auf der Grundlage wenigstens eines Druckersteuersignals erfolgt die Relativbewegung zwischen Druckkopf und Unterlage, sodass die gewünschte Hülse gemäß des zunächst hergestellten Datensatzes, der üblicherweise auf Konstruktionsdaten beruht, hergestellt wird.
Die Herstellung erfolgt schichtweise, bevorzugt nach dem Fused-Deposition-Modeling-Verfahren (FDM-Verfahren), bei dem nacheinander mehrere Schichten eines geschmolzenen Kunststoffs mit Hilfe eines Druckkopfes auf eine Unterlage aufgebracht werden. Die einzelnen Schichten werden hierbei derart aufgebracht, dass sie sich zumindest bereichsweise berühren und an den Grenzflächen eine molekulare Diffusion stattfindet, die schließlich zu einer innigen Verbindung der beiden Schichten führt. Nachdem es zur Verbindung der einzelnen Schichten gekommen ist, härten diese schließlich vollständig aus. Die Aufbringung der verschiedenen Schichten erfolgt wiederum so lange, bis eine Kunststoffhülse mit der gewünschten Form, Kontur und Dimensionierung hergestellt worden ist. Die Nachbearbeitung der Oberfläche erfolgt wiederum, indem auf die Oberfläche der erzeugten Hülse wenigstens bereichsweise ein Medium derart aufgebracht und hierdurch der Kunststoff wenigstens teilweise verflüssigt wird, dass Unebenheiten der Oberfläche des ausgehärteten Kunststoffs verringert werden. Unter einer Verringerung von Unebenheiten der Oberfläche des ausgehärteten Kunststoffs wird ein Glätten der Oberfläche bzw. eine Verringerung der Welligkeit der Oberfläche verstanden. Die nach der schichtweisen Herstellung der erforderlichen Form und Kontur auf der Oberfläche vorhandenen Löcher, Risse, Riefen und/oder Wellen werden durch den Schritt des Glättens erfindungsgemäß verschlossen, sodass nicht nur eine besonders glatte, sondern gleichzeitig eine besonders Flüssigkeit- und Druckdichte Oberfläche zur Verfügung gestellt wird. Eine derart im Wege des 3D-Drucks erzeugte hydraulische Spannbuchse mit innenliegendem Hohlraum kann daher auf erstaunliche Weise vergleichsweise hohen Drücken von 10 bar oder mehr widerstehen. Der Verfahrensschritt des nachträglichen Glättens der Oberfläche ist hierbei von entscheidender Bedeutung.
Durch den Einsatz der 3D-Drucktechnik als additive Fertigungstechnik ist es möglich, eine hydraulische Spannbuchse in nur wenigen Stunden vollständig zu fertigen. Nach Abschluss der schichtweisen Herstellung der Hülse für die hydraulische Spannbuchse ist es generell denkbar, diese mit herkömmlichen, insbesondere spanabhebenden Verfahren nachzubehandeln und/oder mit einer geeigneten Beschichtung zu versehen, was allerdings aufgrund des erfindungsgemäß vorgesehenen Nachbearbeitungsschritts nicht erforderlich ist.
Bei Fertigungskosten für den benötigten schmelzfähigen Kunststoff von etwa 0,49 €/cm³ und einem Materialvolumen einer durchschnittlichen Spannbuchse von etwa 60 cm³ belaufen sich derzeit die Fertigungskosten für die Herstellung einer Hülse für eine hydraulische Spannbuchse auf etwa 30 €. Unter Berücksichtigung des erfindungsgemäß vorgesehenen Nachbearbeitungsschritts sowie der Kosten für das benötigte Ventil belaufen sich die Herstellungskosten auf weniger als 40 €, was unter den Kosten für eine herkömmliche Spannbuchse von derzeit 250 bis 300 € liegt. Somit lassen sich durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens vergleichsweise schnell, kostengünstig und flexibel hydraulische Spannbuchsen herstellen.
Des Weiteren hat die Verwendung eines Herstellverfahrens, bei dem ein schmelzfähiger, thermoplastischer Kunststoff verwendet wird den Vorteil, dass thermoplastische Kunststoffe ein ausgeprägtes elastisches Verhalten aufweisen. Aus diesem Grund ist es möglich, bei Verwendung einer basierend auf dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten hydraulischen Spannbuchse vergleichsweise große Spalte zwischen den zu verbindenden Bauteilen zu überbrücken, beispielsweise einen vergleichsweise großen Spalt zwischen einer Welle und einer Nabe kraftschlüssig miteinander zu verbinden. Die daraus resultierenden geringeren Anforderungen an die Passungstoleranzen reduzieren weiterhin die Fertigungskosten für die umgebenden Bauteile.
Als besonders vorteilhaft für die Erfindung hat sich der Einsatz des sogenannten Fused Deposition Modeling (FDM) erwiesen, bei dem die gewünschte Form durch schichtweisen Aufbau eines schmelzfähigen Kunststoffs hergestellt wird. Nach Abschluss der schichtweisen Herstellung der gewünschten Hülse befinden sich zwischen den einzelnen Schichten Bindenähte, wie sie allgemein aus der Herstellung von Kunststoffbauteilen bekannt sind, welche verringerte mechanische Eigenschaften aufweisen und so die Gefahr der Delamination erhöhen. Ferner ist es aufgrund von eventuellen Druckfehlern, Materialfehlern und der notwendigen Druckkopfbewegungen möglich, dass Lücken zwischen den einzelnen abgelegten Kunststoffbahnen entstehen. Dies ist generell nachteilig, da hydraulische Spannbuchsen üblicherweise über eine besonders hohe Oberflächengüte verfügen müssen, insbesondere da diese vergleichsweise dehnfähig sein müssen, um die für die Spannung erforderliche Bewegung ausführen zu können. Aus diesem Grund ist auf vorteilhafte Weise bei der Herstellung einer hydraulischen Spannbuchse im Wege eines 3D-Druckverfahrens ein spezieller Nachbearbeitungsschritt vorgesehen, bei dem die gedruckte Hülse chemisch nachbehandelt wird, wobei bevorzugt ein Medium wenigstens bereichsweise auf die Oberfläche der erzeugten Hülse aufgebracht wird, das keine chemische Reaktion mit den ausgehärtet Kunststoff eingeht. Von Vorteil ist es daher, als Medium zur Behandlung der Oberfläche der hergestellten Hülse ein Lösungsmittel des verwendeten Kunststoffs zu nutzen. Bei einem Lösungsmittel kommt es zu keiner chemischen Reaktion zwischen dem gelösten Stoff und dem lösenden Stoff. Vielmehr wird der Kunststoff bei einem definierten Kontakt mit dem als Lösungsmittel verwendeten Medium an der Oberfläche verflüssigt, sodass Löcher, Risse, Furchen und/oder Rillen wenigstens teilweise aufgefüllt, Spitzen, Dellen und/oder Wellenberge zumindest teilweise eingeebnet und Rauheitsspitzen geglättet werden.
Gemäß einer speziellen Weiterbildung der Erfindung wird als schmelzfähiger Kunststoff ein Arcylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) verwendet. Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall die Verwendung von Arcylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer-T430 (ABS-T430).
Als Medium für die Glättung der Oberfläche der im Wege eines schichtweisen Druckverfahrens hergestellten Hülse eignet sich auf vorteilhafte Weise Aceton. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit zunächst durch einen geeigneten, von einer Steuereinheit gesteuerten Prozess ein Schichtaufbau erzeugt, der die Form, die Kontur sowie die Dimensionierung der benötigten Hülse aufweist. In einem Nachbearbeitungsschritt wird ein homogenes Werkstoffgefüge an der Oberfläche und eine glatte Oberfläche erzeugt, indem die Oberfläche der erzeugten Hülse mit einem Medium behandelt wird, das zumindest bereichsweise zu einer zeitweisen Verflüssigung des Kunststoffs an der Oberfläche der Hülse führt.
Neben einem Verfahren betrifft die Erfindung auch eine hydromechanisch spannbare Buchse, die zur Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen zwei Maschinenelementen, insbesondere zwischen einer Welle und einer Nabe, einsetzbar ist. Eine derartige hydromechanisch spannbare Buchse, im Allgemeinen auch als hydraulische Spannbuchse bezeichnet, verfügt über einen Hohlraum oder eine Kammer, in der ein Hydraulikfluid eingeschlossen und durch Betätigung hierfür vorgesehener Mittel mit einem erhöhten Druck beaufschlagt werden kann. Um einen derart erhöhten Druck innerhalb der fluidgefüllten Kammer zu erzeugen, ist es denkbar Mittel, wie etwa einen bewegbaren Kolben, vorzusehen, um zusätzliches Hydraulikfluid aus einer Ausgleichskammer und/oder einem externen Reservoir in die Hauptkammer zu fördern. Aufgrund dieses Umpumpens von Hydraulikfluid aus der Ausgleichskammer in die Hauptkammer steigt der Druck in der Hauptkammer an und die die Kammer begrenzenden Wände werden nach außen bewegt, sodass sich das Volumen der Kammer zumindest geringfügig erhöht. Hierbei sind die Kräfte, die von innen auf die äußere Kammerwand wirken, gleichmäßig über die Oberfläche der Kammerinnenwand verteilt.
Im Übrigen sind unterschiedliche konstruktive Ausgestaltungen von Spannbuchsen, die die erfindungsgemäße technische Lehre nutzen, denkbar. Gemäß einer speziellen Ausführungsform ist die Spannbuchse axial geteilt ausgeführt und verfügt über zwei miteinander fügbare Hülsenteile. Es ist somit generell denkbar, eine Spannbuchse, insbesondere die Hülse einer Spannbuchse aus mehreren Teilen, von denen wenigstens eines im Wege eines 3D-Druckverfahrens hergestellt wurde, zusammenzufügen. Ebenso ist es denkbar, eine rotationssymmetrische hydraulische Spannbuchse zu verwenden, die keine Trennstellen aufweist. In diesem Zusammenhang stellt es einen großen Vorteil dar, wenn die hydraulische Spannbuchse aus einem schmelzfähigen Kunststoff im Wege eines 3D-Druckvorgangs hergestellt wurde, da so sehr individualisierte, an den jeweiligen Anwendungszweck angepasste Konstruktionen und Formgebungen für die hydraulische Spannbuchse und insbesondere die das Hydraulikfluid aufnehmende, bedarfsgerecht expandierende Kammer möglich sind.
Wesentlich für die erfindungsgemäße hydraulische Spannbuchse ist, dass die Buchse wenigstens teilweise einen schmelzfähigen und im Wege eines 3D-Druckverfahrens formbaren Kunststoff aufweist und die Oberfläche der Buchse eine Welligkeit aufweist, die zumindest bereichsweise gegen 0 geht, die allerdings von der Wahl der Druckgeschwindigkeit sowie der jeweiligen Dicke einer Schicht abhängt. Auf vorteilhafte Weise verfügt die Buchse und insbesondere die den Hohlraum begrenzende Wand über einen schichtweisen Aufbau, wobei es von besonderem Vorteil ist, wenn die Oberfläche im Wege einer chemischen Nachbehandlung geglättet worden ist.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Kunststoff ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS). Besonders geeignet ist ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer-T430 (ABS-T430). Eine besonders glatte Oberfläche lässt sich realisieren, wenn die ausgehärteten Kunststoffschichten an der Oberfläche wenigstens bereichsweise mit Hilfe von Aceton geglättet worden sind.
Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand spezieller Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1: Schematische Darstellung des Wirkprinzips einer hydraulischen Spannbuchse
2: Aufbau einer im Weg eines 3D-Druckverfahrens hergestellten hydraulischen Spannbuchse in einer Seiten-, einer Drauf- und einer Schnittansicht
3: Schematische Darstellung des Fused Deposition Modeling (FDM);
4: Bindungsbildungsprozess zwischen zwei Filamenten eines schmelzfähigen Kunststoffs sowie
5: Schematische Darstellung der Defekte zwischen einzelnen im Wege eines 3D-Druckverfahrens hergestellten Schichten.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung das Wirkprinzip einer hydromechanisch spannbaren Buchse, die allgemein als hydraulische Spannbuchse 1 (HSB) bezeichnet wird. Um eine kraftschlüssige Verbindung zwischen zwei Maschinenelementen, hier zwischen einer Welle 10 und einer Nabe 11, zu erzeugen, wird die hydraulische Spannbuchse 1 in den Spalt 12 zwischen den beiden Maschinenelementen 10, 11 eingeführt. Innerhalb der hydraulischen Spannbuchse ist ein Hydraulikfluid in einer einen Hohlraum 3 bildenden Kammer eingeschlossen. Wird der Druck in diesem Hohlraum 3 erhöht, und damit das Hydraulikfluid mit diesem erhöhten Druck beaufschlagt, kommt es zu zwei Effekten. Zum einen verformt sich die Kammer 3 und strebt eine Form mit maximalem Volumen bei minimaler Oberfläche an. Zum anderen dehnt sich der Werkstoff der die Kammer 3 begrenzenden Wand 4 entsprechend seines E-Moduls und der herrschenden Spannung aus. Der Einsatz eines Hydraulikfluid gewährleistet hierbei, dass der Druck auf die Innenoberfläche der Kammerwand 4 gleichmäßig verteilt ist. Für den in 1 dargestellten Fall, in dem die Kammer 3 rotationssymmetrische geformt ist und eine kraftschlüssige Verbindung zwischen einer Welle 10 und einer Nabe 11 herstellen soll, wird die Wand 4 in ihrer Verformung gehindert und es wird eine gleichmäßige Flächenpressung erzeugt.
In 2 ist der Aufbau einer im Wege eines 3D-Druckverfahrens hergestellten hydraulische Spannbuchse 1 in einer Seiten-, einer Drauf- sowie einer Schnittansicht dargestellt. Die in 2 dargestellte Spannbuchse verfügt im Wesentlichen über einen Druckkörper mit einer doppelwandigen Hülse 2, in der sich ein, eine Druckkammer bildender Hohlraum 3 befindet und mit einem umlaufenden Bund 13. In dem umlaufenden Bund 13 befinden sich zwei Öffnungen 14, die als Ein- und Auslass für das Hydraulikfluid dienen.
Sofern mithilfe einer hydraulischen Spannbuchse 1 eine Verbindung zwischen zwei Maschinenelementen, insbesondere zwischen einer Welle 10 und einer Nabe 11, hergestellt werden soll, so wird diese Spannbuchse 1, wie in 1 gezeigt ist, in einen Spalt 12 zwischen den beiden Maschinenelementen eingeführt.
Daraufhin wird über den Einlass 14 ein Hydraulikfluid in die Druckkammer 3 eingebracht und hierbei ein Überdruck innerhalb der Druckkammer 3 erzeugt. Die Außenwand 4 der Druckkammer 3 verformt sich daraufhin, wobei sich die Druckkräfte gleichmäßig über die innere Oberfläche der die Druckkammer 3 begrenzenden Wand 4 verteilen.
Aufgrund der speziellen Ausgestaltung der Druckkammer 3 als Hohlraumzwischen der an der Welle 10 einerseits und an der Nabe 11 andererseits anliegenden Wand 4 der Spannbuchse 1 kommt aufgrund des erhöhten Innendrucks in der Druckkammer 3 und der damit verbundenen Volumenvergrößerung bzw. Ausdehnung der Wände 4 zu einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen der innen liegenden Welle 10 und der außenliegenden Nabe 11.
Soll die kraftschlüssige Verbindung zwischen diesen beiden Maschinenelementen 10, 11 wieder gelöst werden, so wird gezielt Hydraulikfluid, beispielsweise durch Betätigen eines geeigneten Ventils, aus dem Auslass der Druckkammer 3 abgelassen. Mithilfe der in 2 dargestellten hydraulischen Spannbuchse ist es somit möglich, durch gezielte Druckerhöhung in der als Hohlraum 3 in der Buchse 1 ausgeführten Druckkammer eine kraftschlüssige Verbindung zwischen zwei Maschinenelementen 10, 11 herzustellen, die ebenso einfach wieder gelöst werden kann.
Die in 2 gezeigte hydraulische Spannbuchse 1 ist durch Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellt worden. Bei diesem Verfahren wird das herzustellende Werkstück schichtweise aufgebaut. Um sicherzustellen, dass die Druckkammer 3 einerseits flüssigkeitsdicht ist und andererseits die erforderliche Druckfestigkeit aufweist, ist die Oberfläche 15 der hydraulische Spannbuchse 1 nach Abschluss des Druckverfahrens mit einem Lösungsmittel chemisch behandelt worden. Das Lösungsmittel verflüssigt in diesem Nachbehandlungsschritt die Oberfläche 15 der hydraulischen Spannbuchse 1 und die aufgrund des schichtweisen Druckverfahrens entstandene Löcher, Riefen, Rillen und Risse 8, genauso wie Wellenberge werden geschlossen bzw. eingeebnet. Die in 2 dargestellte hydraulische Spannbuchse ist aus einem Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer-T430 (ABS-T430) hergestellt worden. Der Nachbearbeitungsschritt zum Glätten der Oberfläche der hydraulischen Spannbuchse 1 wurde mithilfe von Aceton durchgeführt. Die Druckkammer 3, die den Hohlraum innerhalb der Spannbuchse 1 bildet, widersteht einem Duck von bis zu 10 bar (10 · 10⁵ Pa).
In 3 ist schematisch das Fused-Deposition-Modeling-Verfahren (FDM-Verfahren) dargestellt, mit dem Bauteile zur technischen Anwendung hergestellt werden können. Das Fused-Deposition-Modeling-Verfahren gehört zu den Fused-Layer-Manufacturingverfahren (FLM-Verfahren), bei denen festes Ausgangsmaterial einem Extruder 17 zugeführt wird und kurz unter dem Schmelzpunkt in teigigem Zustand auf eine als Bauplattform bezeichnete Unterlage 18 oder andere Schichten 5, 6 aufgebracht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird der schmelzfähige Kunststoff in Form von Filamenten 16 bereitgestellt, aufgerollt und in aufgerolltem Zustand durch den Extruder 17 bewegt, vom Heizelement 20 erwärmt und über den Extrusions- oder Druckkopf 19 auf die Unterlage 18 oder auf die sich bereits dort befindenden Schichten 5, 6, bestehend aus Filamenten 16, aufgebracht. Die thermische Energie im erhitzten Kunststoff ist ausreichend, um sich mit dem umliegenden Kunststoff zu verbinden. Das Verschmelzen der einzelnen Schichten 5, 6 oder Filamente 16 wird hierbei hauptsächlich durch die Oberflächenspannung ausgelöst, was sich positiv auf die Oberflächenbeschaffenheit auswirkt.
Allerdings wird kein vollständiger Übergang zwischen den einzelnen Filamenten 16 oder Schichten 5, 6 erreicht, sodass insbesondere bei komplexen Bauteilstrukturen, und auch bei der Herstellung einer hydraulischen Spannbuchse, eine Nachbehandlung der Oberfläche 15 erforderlich ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Nachbehandlung des gedruckten Bauteils, das aus einem Kunststoff, hier Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer-P430 (ABS-P430) hergestellt ist, mit Hilfe des Lösungsmittels Acetons.
Während der Nachbehandlung des gedruckten Bauteils wird Aceton auf die die Oberfläche 15 aufgebracht, sodass sich der Kunststoff an der Oberfläche 15 des gedruckten Bauteils verflüssigt und so die nach dem Abschluss des Druckvorgangs noch vorhandenen Rillen, Riefen und Löcher 8 verschlossen werden. Ebenso werden Wellenberge auf der Oberfläche 15 eingeebnet. Auf diese Weise wird nicht nur eine glatte Oberfläche 15, sondern darüber hinaus ein Bauteil mit einer erhöhten Druckfestigkeit hergestellt.
4 zeigt den Bindungsbildungsprozess zwischen zwei Filamenten 16 eines Kunststoffwerkstoffs. Auf der linken Seite ist ein Materialblock, der mehrere Kunststoffschichten 5, 6 beinhaltet, die aus einzelnen Kunststofffilamenten 16 gebildet werden, dargestellt, der im Wege eines 3D-Druckverfahrens durch Drucken eines schmelzfähigen Kunststoffs hergestellt worden ist. Die einzelnen Kunststofffilamente 16 sind innerhalb der einzelnen Schichten 5, 6 nebeneinander angeordnet. Die Bildung einer Bindung zwischen den einzelnen Filamenten 16 läuft hierbei im Wesentlichen in drei Schritten ab. In einem ersten, in 4 a) gezeigten Schritt unmittelbar nach dem Aufbringen eines Filaments 16 auf eine Unterlage oder ein bereits ausgebrachtes Filament 16 kommt es zum Kontakt zwischen den Oberflächen der benachbarten Filamente 16.
Im Anschluss daran kommt es zu dem in 4 b) gezeigten, sogenannten Nackenwachstum, bei dem sich die Oberflächen der benachbarten Filamente 16 öffnen und es zu einer Verbindung der beiden Filamente 16 kommt. In einem dritten und letzten Schritt, der in 4 c) gezeigt ist, kommt es zur molekularen Diffusion an der Grenzfläche der beiden Filamente 16 und zur sogenannten Randomisierung. Abschließend ist ein Zustand erreicht, bei dem die benachbarten Filamente 16 auf Molekülebene mit einander verbunden sind, wobei Moleküle vorhanden sind, die sich in beide Filamente hineinerstrecken.
5 zeigt ebenfalls in einer schematischen Darstellung Defekte 8 zwischen den einzelnen Schichten 5, 6 oder Filamenten 16 nach Abschluss eines Herstellungsprozesses im Wege eines 3D-Druckverfahrens.
Deutlich zu erkennen sind hierbei verschiedene Defekte 8 in Form von Löchern oder Lücken zwischen den einzelnen Schichten 5, 6. Eine Nachbehandlung des gedruckten Kunststoffkörpers ist somit erforderlich. Erfindungsgemäß erfolgt diese Nachbehandlung mit Hilfe eines Lösungsmittels des gedruckten Kunststoffs, das auf die Oberfläche 15 aufgebracht wird. Hierdurch kommt es zu einer Verflüssigung des Kunststoffmaterials an der Oberfläche 15, sodass die in 5 dargestellten Defekte 8 zwischen den einzelnen Schichten 5, 6 oder Filamenten 16 verschlossen werden.
Wird ein Bauteil, beispielsweise eine hydraulische Spannbuchse im Wege eines 3D-Druckverfahrens, beispielsweise durch Fused Deposition Modeling, aus einem Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer-P430 (ABS-P430) hergestellt, so ist es von Vorteil, wenn zur Nachbehandlung des gedruckten Bauteils und zur Glättung der Oberfläche 15 Aceton verwendet wird. Wesentlich hierbei ist, dass bei Verwendung des Lösungsmittels des gedruckten Kunststoffs keine chemische Reaktion zwischen dem Lösungsmittel und dem gelösten Kunststoff auftritt, sondern lediglich eine Verflüssigung des Kunststoffs an der Oberfläche stattfindet. Hierdurch werden die während des Druckens entstandenen Defekte 8, wie Löcher, Lücken und Risse, zuverlässig verschlossen und die Oberflächenwelligkeiten geglättet.
Bezugszeichenliste

1: hydraulische Spannbuchse (HSB)
2: Hülse
3: Hohlraum
4: Wand
5: erste Schicht
6: wenigstens eine zweite Schicht
7: Hülsenoberfläche
8: Defekt
9: Steuereinheit
10: Welle
11: Nabe
12: Spalt
13: Bund
14: Öffnung
15: Kunststoffoberfläche
16: Filament
17: Extruder
18: Unterlage
19: Druckkopf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2639320 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Hülse (2) für eine hydraulische Spannbuchse (1) mit einem Hohlraum (3) zur Aufnahme und Druckbeaufschlagung eines Hydraulikfluids, mit den Schritten - Erzeugen eines Datensatzes, der die Form, Kontur und Dimensionierung der Hülse (2) repräsentiert und Generierung wenigstens eines Druckersteuersignals durch eine Steuereinheit (9) unter Zugrundelegung des Datensatzes, - auf der Grundlage des Druckersteuersignals Drucken einer ersten Schicht (5) eines geschmolzenen Kunststoffs mit einer Druckerdüse auf eine Unterlage, - auf der Grundlage des Druckersteuersignals Drucken wenigstens einer zweiten Schicht (6) des geschmolzenen Kunststoffs mit der Druckerdüse derart, dass die zweite Schicht (6) mit mindestens einer zuvor gedruckten Schicht (5, 6) wenigstens bereichsweise in Kontakt gebracht wird, - Wiederholen des Schrittes des Aufbringens wenigstens einer zweiten Schicht (6) bis die Hülse (2) die von dem Datensatz repräsentierte Form, Kontur und Dimensionierung aufweist und/oder innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs der von dem Datensatz repräsentierten Form, Kontur und Dimensionierung der Hülse liegt sowie - Aushärten des Kunststoffs und wenigstens bereichsweises Aufbringen eines Mediums auf eine Oberfläche (7) der Hülse derart, dass der Kunststoff zeitweise wenigstens abschnittsweise verflüssigt wird und Löcher, Risse und/oder Unebenheiten (8) der Oberfläche (7) wenigstens teilweise mit dem Kunststoff gefüllt, ausgeglichen und/oder geglättet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche (7) der erzeugten Hülse (2) ein Medium aufgebracht wird, ohne dass es zu einer chemischen Reaktion zwischen dem Medium und dem Kunststoff kommt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche (7) der erzeugten Hülse (2) als Medium ein Lösungsmittel des Kunststoffs aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer-P430 (ABS-P430) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium, das auf die Oberfläche der erzeugten Hülse (2) aufgebracht wird, ein Aceton verwendet wird.
Hydromechanisch spannbare Buchse 1, die einen mit einem Hydraulikfluid gefüllten Hohlraum (3) und Mittel zur Leitung des Fluids aufweist, um das Hydraulikfluid mit einem Druck derart zu beaufschlagen, dass sich eine den Hohlraum (3) begrenzende Wand (4) wenigstens teilweise bewegt und sich das Volumen des Hohlraums (3) vergrößert, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (1) wenigstens teilweise einen schmelzfähigen und im Wege eines 3D-Drucks formbaren Kunststoff aufweist.
Buchse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die den Hohlraum begrenzende Wand (4) über einen schichtweisen Aufbau verfügt.
Buchse nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) aufweist.
Buchse nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche wenigstens bereichsweise mit Aceton geglättet wurde.
Buchse nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (3) wenigstens bis zu einem Innendruck von 10 bar druckfest für Flüssigkeiten ist.
Verwendung einer hydromechanisch spannbaren Buchse 1 nach einem der Ansprüche 7 bis 11 oder einer Hülse (2) für eine hydraulische Spannbuchse (1) hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Erzeugung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen einer Welle 10 und einer Nabe 11.