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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf Komponenten eines Verbrennungsmotors, insbesondere auf Hauptlagerdeckel oder Lagerdeckel. Hauptlagerdeckel dienen zur Fixierung einer Lagerung für eine Kurbelwelle. Lagerdeckel können beispielsweise eine Nockenwelle fixieren. Nachteilig an gattungsgemäßen Hauptlagerdeckeln bzw. Lagerdeckeln ist deren hohes Gewicht.
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Beschreibung
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In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung soll ein Verfahren angegeben werden, das die vormals genannten Nachteile abstellt.
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Die Nachteile werden durch den unabhängigen Anspruch abgestellt. Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Offenbarung aus. Die Unteransprüche können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Offenbarung zusätzlich.
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Vorgesehen ist demgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Hauptlagerdeckels zur Lagerung einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle in einem Verbrennungsmotor mit den Schritten:
- • Bereitstellung einer 3D-Druckvorrichtung für metallische Bauteile;
- • Erstellen eines 3D-Modells eines Hauptlagerdeckels, und
- • Ausdrucken des Hauptlagerdeckels entsprechend des 3D-Modells in der 3D-Druckvorrichtung.
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Es ergeben sich durch den 3D-Druck gestalterische Freiheiten, die mit anderen Herstellungsverfahren nicht realisierbar sind. In einer 3D-Druckvorrichtung wird ein 3-dimensionaler Körper Schicht für Schicht aufgebaut. Verschiedene Verfahren sind bekannt.
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Beispielsweise beim selektiven Laserschmelzen wird ein Metallpulvergrundstoff in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht. Der Grundstoff wird nun mittels Laserstrahlung lokal umgeschmolzen und es bildet sich nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Nach dem Erstarren wird die Grundplatte um einen Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Grundstoff in Pulverform aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten einmal aufgeschmolzen wurden und erstarrt sind. Beim Elektronenstrahlschmelzen wird zum Aufschmelzen anstelle eines Laserstrahls ein Elektronenstrahl verwendet. Beim Auftragsschweißen wird Material direkt von einer beweglichen Sonde aufgetragen, wobei die Sonde die Schichten Ebene für Ebene aufbaut.
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In einer Ausgestaltung ist für das 3D-Modell des Hauptlagerdeckels vorgesehen: eine sich um eine Achse koaxial erstreckende Aufnahme für eine Lagerschale, an welcher im Betrieb des Verbrennungsmotors eine um die Achse rotierbar gelagerte Kurbelwelle anliegt, sowie versetzt und rechtwinklig zu der Achse angeordnete Durchgangsbohrungen, wobei das Verfahren die Schritte zur Erstellung des 3D-Modells vorsieht:
- • Ermittlung einer statischen und dynamischen Belastung, und
- • Dimensionierung des Hauptlagerdeckels derart, dass die im Betrieb des Verbrennungsmotors auftretenden Belastungen abgestützt werden.
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In einer Ausgestaltung weist das Verfahren den folgenden Schritt auf: Ermittlung einer statischen und dynamischen Belastung, und Dimensionierung des 3D-Modells des Hauptlagerdeckels derart, dass am modellgemäß gefertigten Hauptlagerdeckel im Betrieb des Verbrennungsmotors geringfügiger belastete Bereiche dünnwandiger dimensioniert sind.
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Durch diesen Verfahrensschritt kann ein Hauptlagerdeckel mit einem potentiell geringerem Gewicht bereitgestellt werden. Dies ergibt sich aus dem Umstand, dass beim 3D-Drucken komplexere Geometrien hergestellt werden können als mit Urformverfahren wie zum Beispiel Gussverfahren.
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In einer Ausgestaltung weist das Verfahren den folgenden Schritt auf: Ermittlung einer statischen und dynamischen Belastung, und Dimensionierung des Hauptlagerdeckels derart, dass in geringfügiger belasteten Bereichen Hohlräume vorgesehen sind.
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Wie oben im Zusammenhang mit geringeren Wandstärken beschrieben, kann hierdurch ebenfalls ein leichterer Hauptlagerdeckel bereitgestellt werden.
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In einem Verfahrensschritt wird in der Aufnahme eine Lagerschale aufgedruckt, wobei für die Lagerschale ein anderes Material verwendet wird, als für die Aufnahme.
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Hierfür eignet sich insbesondere das 3D-Druckverfahren mittels Auftragsschweißen, da bei den pulverbasierten 3D-Druckverfahren die zu druckenden Ebenen aus Pulver bestehen, bevor sie aufgeschmolzen werden. Die Pulverschicht wird über das gesamte Bauteil gezogen und es wäre zwar möglich, aber nicht einfach, für den Bereich des späteren Lagerschalenabschnitts ein anderes Pulver zu verwenden.
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Mit den genannten Verfahrensschritten kann ein Hauptlagerdeckel gebildet werden, der ohne Einschränkungen, denen herkömmliche Fertigungsverfahren wie Gussverfahren unterworfen sind, rein belastungsgerecht dimensioniert werden kann.
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In einer Ausgestaltung weist der Hauptlagerdeckel eine sich um eine Achse koaxial erstreckende Aufnahme für eine Lagerschale auf, an welcher im Betrieb des Verbrennungsmotors eine um die Achse rotierbar gelagerte Kurbelwelle anliegt, sowie versetzt und rechtwinklig zu der Achse angeordnete Durchgangsbohrungen, welche an einer Kontaktfläche, mit welcher der Hauptlagerdeckel mit einer korrespondierend geformten Hauptlagerdeckel-Aufnahme verbunden wird, einen erhabenen Bereich aufweist, welcher in eine korrespondierend geformte Vertiefung in der Hauptlagerdeckel-Aufnahme eingreift.
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Die Hauptlagerdeckel-Aufnahme ist dabei in dem Kurbelgehäuse angeordnet. Der erhabene Bereich dringt bei der Montage in die Vertiefung ein und stabilisiert die Lage des Hauptlagerdeckels relativ zu dem Kurbelwellengehäuse. Eine Vertiefung kann leicht ohne ein 3D-Druckverfahren eingearbeitet werden, deshalb ist die Vertiefung an dem Kurbelwellengehäuse bzw. den Hauptlagerdeckel-Aufnahmen vorgesehen.
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In einer Ausgestaltung ist der erhabene Bereich in Form eines Dübel-Abschnitts ausgebildet, welcher koaxial zu den Durchgangsbohrungen angeordnet ist.
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Der Dübel-Abschnitt dient zur Positionierung und Ausrichtung des Hauptlagerdeckels relativ zu den Hauptlagerdeckel-Aufnahmen.
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In einer Ausgestaltung ist der Dübel-Abschnitt aus einem anderen Material in einem 3D-Druckverfahren mit dem Hauptlagerdeckel zusammen gefertigt worden.
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Wie oben im Zusammenhang mit der Lagerschale beschrieben, ist es möglich, ein Schicht für Schicht aufgetragenes 3D-Druckteil wie den Hauptlagerdeckel aus verschiedenen Materialien aufzubauen. Man kann dadurch im Betrieb des Verbrennungsmotors auftretenden lokalen dynamischen, statischen, thermischen und chemischen Einflüssen gezielt konstruktiv begegnen.
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In einer Ausgestaltung ist der erhabene Bereich in Form von Rillenabschnitten ausgebildet, welche angrenzend an die Durchgangsbohrungen angeordnet sind.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das vorstehend beschriebene Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer, insbesondere in einer CAD Einheit mit einer Simulationssoftware zum Entwerfen des 3D-Modells sowie einer Steuerelektronik eines 3D-Druckers ausgeführt wird. Das Steuersystem kann wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Computerprogramm mit kodierten Anweisungen zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, insbesondere einer CAD Einheit mit einer Simulationssoftware zum Entwerfen des 3D-Modells sowie einer Steuerelektronik eines 3D-Druckers ausgeführt wird. Das Steuersystem kann wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Signalfolge mit computerlesbaren Anweisungen zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, wenn die Signalfolge von einem Computer, insbesondere einer CAD Einheit mit einer Simulationssoftware und einer Steuerelektronik einer 3D-Druckvorrichtung verarbeitet wird. Das Steuersystem kann wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein. Die Signalfolge kann insbesondere mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Computerprogramms und/oder mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Computerprogrammprodukts erzeugt werden. Die Signalfolge kann als elektrische Impulse und/oder elektromagnetische Welle und/oder optische Impulse drahtlos oder drahtgebunden bereitgestellt werden.
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Figurenliste
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Es zeigen:
- 1: im Schnitt einen beispielhaften Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle, welche über Hauptlagerdeckel in Lagerschalen an einem Kurbelgehäuse gehalten werden,
- 2A: ein 3D-Modell eines Hauptlagerdeckels, mit ermittelten belasteten Bereichen;
- 2B: einen Hauptlagerdeckel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3A: ein 3D-Modell eines Hauptlagerdeckels, mit ermittelten belasteten Bereichen;
- 3B: einen Hauptlagerdeckel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4A: ein 3D-Modell eines Hauptlagerdeckels, mit ermittelten belasteten Bereichen;
- 4B: einen Hauptlagerdeckel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5: einen vergrößerten Teilausschnitt eines in 4A dargestellten Bereichs; und
- 6: einen Verfahrensablauf zur Fertigung eines Hauptlagerblocks in drei Schritten.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich veranschaulichend. Der Klarheit halber sind in den Zeichnungen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Es ist festzustellen, dass einige Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Schritte des Verfahrens können Multiplikationen, Summierungen und Selektionen sowie Zuordnungen sein, zum Beispiel Zuordnung von Ausgangswerten zu Eingangswerten in Kennfeldern.
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In der Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist zu verstehen, dass Orientierungs- oder Positionsbeziehungen durch die Begriffe „zentral“, „längs“, „quer“, „Länge“, „Breite“, „Dicke“, „oberhalb“, „unterhalb“, „vorne“, „hinten“, „links“, „rechts“, „vertikal“, „horizontal“, „oben“, „unten“, „innen“, „außen“, „rechts“, „gegen den Uhrzeigersinn“ bezeichnet werden. Orientierungs- oder Positionsbezeichnungen dienen lediglich der Erleichterung und Vereinfachung der Beschreibung der vorliegenden Offenbarung. Aus den Orientierungs- oder Positionsbezeichnungen kann nicht abgeleitet werden, dass die erwähnten Vorrichtungen oder Elemente zwangsläufig spezifische Orientierungen aufweisen und in bestimmten Orientierungen konstruiert und betrieben werden sollten.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einer Kurbelwelle 11, welche in einer Lagerschale 13 um eine Achse A rotierbar gelagert ist. Nach unten wird die Kurbelwelle 11 über einen Hauptlagerdeckel 20, 30, 40 gehalten. Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 treten bedingt durch Kompressions- und Gaskräfte im Brennraum sehr hohe Kräfte entlang der Pleuelachse 14 auf, welche durch den Hauptlagerdeckel 20, 30, 40 abgestützt werden.
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Die rotierbare Lagerung der Kurbelwelle 11 in dem Verbrennungsmotor 10 erfolgt in der Lagerschale 13, welche in einer Aufnahme 12 im Hauptlagerdeckel 20, 30, 40 angeordnet ist. Als Material für die Lagerschale 13 ist ein tribologisch günstiger Reibpartner gegenüber der Kurbelwelle 11 vorgesehen, gleichwohl ein Mischreibungsbetrieb normalerweise nicht auftreten wird. Die Aufnahme 12 stützt die relativ dünnwandige Lagerschale 13 ab. Es ist aufgrund der hohen entlang der Pleuelachse 14 wirkenden Kräfte notwendig, die Aufnahme 12 so zu dimensionieren, dass sich die Lagerschale 13 im Betrieb nicht verformt. Dementsprechend solide sind Hauptlagerdeckel 20, 30, 40 ausgeführt. Hauptlagerdeckel 20, 30, 40 werden mitunter auch als Lagerblock bezeichnet. Gleichwohl nur Hauptlagerdeckel 20, 30, 40 mit zwei Durchgangsbohrungen 29 dargestellt sind, versteht es sich, dass das offenbarungsgemäße Verfahren ohne Weiteres auf Hauptlagerdeckel mit vier Durchgangsbohrungen übertragbar ist.
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Offenbarungsgemäß ist nun vorgesehen, die Hauptlagerdeckel 20, 30, 40 mit einem 3D-Druckverfahren herzustellen. Bei einem 3D-Druckverfahren muss bei dem Design nicht berücksichtigt werden, dass das Bauteil entformt werden muss. Es können somit Hinterschnitte und dergleichen vorgesehen sein sowie sehr komplexe Geometrien, Hohlräume und Stützen, die nicht gießbar sind und für Fräsen und Bohrer nicht zugänglich wären.
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Ein Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Hauptlagerdeckels 20 zeigt 2B. Der Hauptlagerdeckel 20 kann in einem 3D-Druckverfahren hergestellt werden, bei dem anhand eines in 2A dargestellten 3D-Modells 23 der Hauptlagerdeckel 20 in einer 3D-Druckvorrichtung Schicht für Schicht aufgebaut wird.
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Das 3D-Modell 23 wird mit einem CAD Verfahren erstellt, bei dem die im Betrieb und bei der Montage auftretenden statischen und dynamischen Belastungen in einer Simulation in das 3D-Modell eingeleitet werden. Die Simulation zeigt in einer einfachen Ausgestaltung diejenigen Bereiche 24, 25 welche mechanisch hoch belastet sind.
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Ferner zeigt die Simulation weniger belastete Bereiche 27, 28 auf. In die Simulation fließen alle notwendigen Parameter ein, insbesondere auch ein Material, aus dem der Hauptlagerdeckel 20 gefertigt werden soll.
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Das 3D-Modell 23 soll zur Gewichtsersparnis möglichst materialsparend erstellt werden, das heißt, dass an dem danach ausgedruckten Hauptlagerdeckel möglichst wenig Material eingesetzt werden soll. Dementsprechend werden diejenigen Bereiche 24, 25 welche hoch belastet sind, verstärkt ausgeführt. Die weniger belasteten Bereiche 27 und 28 werden dementsprechend schwächer dimensioniert.
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In dem in 2A bzw. 2B dargestellten Ausführungsbeispiel sind stark belastete Bereiche ein Bereich 24 um die Aufnahme 12 herum, ein Auflageflächenbereich 25 nahe an den Durchgangsbohrungen 29 zur Aufnahme von Schraubenköpfen 9 (siehe 1) von ansonsten nicht dargestellten Befestigungsschrauben. Diese Bereiche sind hoch belastet und dementsprechend verstärkt auszuführen.
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Von der Aufnahme 12 der Lagerschale 13 zu Auflageflächenbereiche 25, in denen ein Schraubenkopf 9 anliegt, herrschen gemäß der Simulation hohe mechanische Belastungen. Dementsprechend sind in diesem Bereich Rippen 22 vorgesehen, die sich von der Aufnahme 12 jeweils bis zu den Auflageflächenbereichen 25 der Schraubenköpfe 9 um den Hauptlagerdeckel 20 entsprechend auszusteifen.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Hauptlagerdeckels 30 zeigt 3B. Der Hauptlagerdeckel 30 kann in einem 3D-Druckverfahren hergestellt werden, bei dem anhand eines in 3A dargestellten 3D-Modells 33 der Hauptlagerdeckel 30 in einer nicht dargestellten 3D-Druckvorrichtung Schicht für Schicht aufgebaut wird.
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Das 3D-Modell 33 wird mit einem CAD Verfahren erstellt, bei dem die im Betrieb und bei der Montage auftretenden statischen und dynamischen Belastungen in einer Simulation in das 3D-Modell eingeleitet werden. Die Simulation zeigt in einer einfachen Ausgestaltung einen Bereich 34 auf, welcher mechanisch hoch belastet ist. Wie im ersten Ausführungsbeispiel zeigt die Simulation einen geringer belasteten Bereich 37 auf. In die Simulation fließen wiederum alle notwendigen Parameter ein, insbesondere auch ein Material, aus dem der Hauptlagerdeckel 30 gefertigt werden soll.
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Das 3D-Modell 33 wird zur Gewichtsersparnis wiederum möglichst materialsparend erstellt. Dementsprechend wird der Bereich 37, welcher hoch belastet ist, verstärkt ausgeführt. Der weniger belastete Bereich 34 wird dementsprechend wiederum schwächer dimensioniert.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Hauptlagerdeckels 40 zeigt 4A. Der Hauptlagerdeckel 40 kann ebenfalls in einem 3D-Druckverfahren hergestellt werden, bei dem anhand eines in 4A dargestellten 3D-Modells 43 der Hauptlagerdeckel 40 in einer 3D-Druckvorrichtung Schicht für Schicht aufgebaut wird.
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Das 3D-Modell 43 wird mit einem CAD Verfahren erstellt, bei dem die im Betrieb und bei der Montage auftretenden statischen und dynamischen Belastungen in einer Simulation in das 3D-Modell eingeleitet werden. Die Simulation zeigt in einer einfachen Ausgestaltung den Bereiche 44 auf, welcher mechanisch hoch belastet sind.
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Weiterhin zeigt die Simulation einen weniger belasteten Bereich 47 auf. In die Simulation fließen alle notwendigen Parameter ein, insbesondere auch ein Material, aus dem der Hauptlagerdeckel 40 gefertigt werden soll.
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Auch bei dem Modell 43 wird ein Bereich 44, welcher hoch belastet ist, verstärkt ausgeführt. Der weniger belastete Bereiche 47 wird dementsprechend dünnwandiger dimensioniert.
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Es kann vorgesehen sein, dass in dem Hauptlagerdeckel 20, 30, 40 gemäß den 2A, 3A und 3B nicht dargestellte Hohlräume vorgesehen sind. Die Hohlräume können in weniger belasteten Bereichen 27, 37, 47 vorgesehen sein.
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In einem weiteren Aspekt kann neben der geometrischen Gestaltungsfreiheit, welche sich für die Belastbarkeit durch den 3D-Druck ergibt, eine quer zur Wirkrichtung der Verschraubung wirkende Verbindung zwischen dem Kurbelwellengehäuse 15, speziell der Hauptlagerdeckel-Aufnahme 8 zu schaffen.
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Ein Ausführungsbeispiel mit einem erhabenen Bereich 6 in Form eines Dübel-Abschnitts 3, welcher koaxial zu den Durchgangsbohrungen angeordnet ist, ist in 3A dargestellt. Die Dübel-Abschnitte 3 greifen in eine korrespondierend geformte Vertiefung 3' in der Hauptlagerdecke-Aufnahme 8 ein. Im Falle der Dübel-Abschnitte 3 kann die Vertiefung auch in Form einer Fase vorliegen, welche an einer Gewindebohrung 2 vorgesehen ist.
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Anstelle von Dübel-Abschnitten 3 können entsprechend 4B erhabene Bereiche 6 in Form von Rillenabschnitten 4 vorgesehen sein. Die Rillenabschnitte 4 greifen in entsprechende Vertiefungen 4' in der Hauptlagerdeckel-Aufnahme 8 ein und fixieren den Hauptlagerdeckel 40 quer zu den Hauptbelastungen entlang der Pleuelachse 14 formschlüssig. In 5 ist ein in 4A mit X gekennzeichneter Bereich vergrößert dargestellt. Man erkennt, dass die Rillenabschnitte 4 abgewinkelte Flanken 1 aufweisen. Die Rillenabschnitte 4 verjüngen sich dementsprechend mit zunehmendem Abstand von der Kontaktfläche des Hauptlagerdeckels 40. Die Rillenabschnitte 4 enden in einem abgerundeten Bereich. In nicht dargestellter Weise können die Vertiefungen 4' am Kurbelwellengehäuse 15 korrespondierend geformte Flanken aufweisen.
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6 zeigt in drei Schritten 101 bis 103 schematisch einen Verfahrensablauf, mit welchem ein Hauptlagerdeckel 20,30, 40 entsprechend den 1 bis 5 gefertigt werden kann. In einem ersten Schritt 101 werden an einem 3D-Modell des Hauptlagerdeckels die Belastungen simulativ eingeleitet. Stärker und schwächer belastete Bereiche werden in der Simulation sichtbar gemacht. In einem zweiten Schritt 102 wird ein 3D-Modell des Hauptlagerdeckels erstellt. Dies kann erfolgen, indem ein Hauptlagerdeckel in einer Ausgangsform entsprechend den Belastungen verstärkt wird. In einem dritten Schritt 103 wird der Hauptlagerdeckel (Bauteil) entsprechend dem 3D-Modell in einem 3D-Drucker für metallische Bauteile gedruckt.
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Gleichwohl zumindest ein Ausführungsbeispiel in der vorangegangenen Beschreibung sowie der Figurenbeschreibung dargestellt wurde, sollte man anerkennen, dass eine hohe Anzahl an Variationen existiert. Weiterhin sollte man anerkennen, dass das Ausführungsbeispiel bzw. die Ausführungsbeispiele nur Beispiele sind und dass sie nicht dazu dienen, den Schutzbereich, die Anwendbarkeit oder die genaue Ausgestaltung in irgendeiner Art und Weise zu beschränken. Vielmehr stellen die Beschreibung sowie die Figurenbeschreibung für den Fachmann eine nützliche Anleitung zur Implementierung mindestens einer Ausführungsform bereit, dabei sollte klar sein, dass verschiedene Änderungen in der Form und Funktion der beschriebenen Merkmale vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Ansprüche und deren Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flanke
- 2
- Gewindebohrung
- 3
- Dübel-Abschnitt
- 3'
- Vertiefung
- 4
- Rillenabschnitt
- 4'
- Vertiefung
- 6
- erhabener Bereich
- 7
- Kontaktfläche
- 8
- Hauptlagerdeckel-Aufnahme
- 9
- Schraubenkopf
- 10
- Verbrennungsmotor
- 11
- Kurbelwelle
- 12
- Aufnahme
- 13
- Lagerschale
- 14
- Pleuelachse
- 15
- Kurbelwellengehäuse
- 20
- Hauptlagerdeckel
- 22
- Rippen
- 23
- 3D-Modell
- 24
- Bereich
- 25
- Bereich
- 27
- Bereich
- 28
- Bereich
- 29
- Durchgangsbohrungen
- 30
- Hauptlagerdeckel
- 33
- 3D-Modell
- 35
- Bereich
- 34
- Bereich
- 37
- Bereich
- 40
- Hauptlagerdeckel
- 43
- 3D-Modell
- 44
- Bereich
- 47
- Bereich
- 101
- Schritt
- 102
- Schritt
- 103
- Schritt
- A
- Achse
