Verreet, Roland (Grünenthaler Strasse 40a, Aachen, 52072, DE)
| 1. | Verfahren zum Herstellen eines Drahtseils, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte bereits in der Seilkonfiguration durch Schichtaufbau herge stellt werden. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten quer zur Erstreckungsrichtung der Drähte liegend erzeugt werden. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte, vorzugsweise Stahl oder Titan, durch Selective Laser Melting hergestellt werden. |
| 4. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte jeweils unmittelbar an endseitigen Kupplungsstücken des Drahtseils angeformt werden. |
| 5. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau der Drähte in einer Lage der Drähte zueinander begonnen wird, die der Anpressung der Drähte aneinander bei einer Belastung des Drahtseils entspricht oder angenähert ist, und die Drähte auf einem an schließenden kurzen Abschnitt so weit aufgefächert werden, dass sie dann getrennt voneinander aufgebaut werden können. |
| 6. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau der Drähte unter einem Winkel der Drähte zur Querschnitts ebene des Drahtseils begonnen wird, der dem Winkel bei einer Belastung des Drahtseils gleich oder angenähert ist, und die Drähte dann in den Winkel umgelenkt werden, der ohne Belastung vorgesehen ist. |
| 7. | Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau der Drähte am Ende entsprechend vorgenommen wird. |
| 8. | Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kupplungsstücken mindestens in der Verlängerung der Litzenzwickelräume Auslasskanale für unverfestigtes Metallpulver ausgespart werden. |
| 9. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtseil als Ganzes wärmebehandelt wird. |
| 10. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Drahtseilen, vorzugsweise eine Vielzahl, in demselben Arbeitsgang hergestellt wird. |
| 11. | Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstel lung von Proben zum Gewinnen von Ausgangsdaten für eine Optimierung einer Drahtseilkonstruktion, wobei Proben gleichen grundsätzlichen Seilauf baues, aber verschiedener Drahtdurchmesser und/oder Schlaglängen der Litzen, eines Herzseils und/oder des Seils hergestellt werden und die interes sierenden Eigenschaftswerte ermittelt werden. |
| 12. | Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Proben eine Länge von mindestens der größten in ihnen enthaltenen Schlaglänge einer Litze, eines Herzseils oder des Seils aufweisen. |
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Anwendung eines solchen Verfahrens.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Drahtseil mit neuen Eigenschaften zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird dieser Zweck in der Weise erfüllt, dass die Drähte bereits in der Seilkonfiguration durch Schichtaufbau hergestellt werden.
Das so entstandene Drahtseil hat nicht die Festigkeit eines normalen Drahtseils. Es ist nur für besondere Zwecke geeignet. Sein Vorteil ist, dass es nicht durch Quali- tätsschwankungen des Vormaterials und durch Schwankungen der Fertigungs- parameter beeinflusst ist. Einsatzfälle für das Drahtseil bestehen dort, wo seine absolute Gleichmäßigkeit genutzt werden kann.
Die normalen Drahtseile unterliegen Schwankungen im Material und im Durch- messer der Drähte sowie Schwankungen in einer großen Zahl von Fertigungs- parametern von den Drähten über die Litzen bis zum Seil, ggf. Kernseil und Endseil.
Die Drähte können verschiedenen Stahlchargen, ferner anderen Ziehfolgen mit unterschiedlichen Querschnittsabnahmen entstammen und daher unterschied- liche Zusammensetzungen, Ausgangsfestigkeiten, Längsverstreckungen und Festigkeitszunahmen haben bzw. erfahren haben.
Sowohl bei der Litzen-als auch der, ggf. mehrstufigen, Seilherstellung können infolge Schwankungen der Maschineneinstellung, wie Vorformung, Spulenab- bremsung, Richtrolleneinstellung und Rückdrehung unterschiedliche Eigenschaf- ten hinsichtlich Durchmesser, Dehn-, Drall-und Drehmomentverhalten sowie
Eigenspannungen entstanden sein, und zwar in nicht unerheblichem Maße auch über die Länge eines Drahtseils hinweg.
Bei der Herstellung von Proben zur Entwicklung eines Seils ist man zwar bestrebt, wenigstens Drähte des gleichen Herstellers zu verwenden. Auch hier gibt es jedoch Abweichungen von Mal zu Mal. Und im Laufe der Produktion kann es spä- ter mehrfach zu Wechseln des Herstellers und daher weiteren Veränderungen des Drahtseils kommen.
Wo nur kurze Drahtseile benötigt werden und es auf die Gleichmäßigkeit von Drahtseilen ankommt, haben daher die erfindungsgemäß hergestellten Drahtseile einen Vorteil.
Den wesentlichsten Vorteil erreichen sie jedoch in der Ausgestaltu ng, dass die Drähte jeweils unmittelbar an endseitigen Kupplungsstücken des Drahtseils ange- formt werden.
Die normalen Drahtseile werden an den Enden mit Presshülsen versehen oder auf- gefächert und eingegossen. Die dortige Unstetigkeit des Seilgefüges wirkt sich weit bis in die Länge des Drahtseils hinein aus. Kurze Seile sind dementsprechend besonders ungleichmäßig, es kommen die in ihren von Hand gefertigten Fassun- gen an den Enden unvermeidlichen Ungenauigkeiten und deren Auswirkungen hinzu.
Müssen beispielsweise mehrere kurze Drahtseile absolut gleichmäßig zusammen- wirken, etwa zu Steuerungszwecken in der Raumfahrt, sind die erfindungsge- mäßen Drahtseile mit angeformten Kupplungsstücken trotz hoher Herstellungs- kosten entschieden von Vorteil.
Eine wichtiges Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Her- stellung von Proben zum Gewinnen von Ausgangsdaten für eine Optimierung einer Drahtseilkonstruktion, wobei Proben gleichen grundsätzlichen Seilaufbaues, aber verschiedener Drahtdurchmesser und/oder Schlaglöngen der Litzen, eines Herzseils und/oder des Seils hergestellt werden und die interessierenden Eigen- schaftswerte ermittelt werden.
Um z. B. bei einem mehrlagigen Drahtseil die günstigste Schlaglänge für das Herz- seil und die günstigste Schlaglänge für das Seil, d. h. die darauf verseilte äußere Litzenlage, zu finden, wird gewöhnlich eine Vielzahl von Probeseilen mit verschie- denen Herzseilschlaglängen und verschiedenen Seilschlaglängen hergestellt.
Daraus werden z. B. fünf bis neun Proben von 1 bis 20 nn Länge geschnitten, um im Zerreißversuch E-Modul, Bruchkraft und Überbeanspruchung zu bestimmen ; wei- tere übliche Tests sind der Drehmomentversuch, der Drehwinkelversuch, der Flexi- bilitätsversuch, die Dauerbiegeprüfung und die Zugschwellprüfung.
Eine an sich wünschenswerte größere Zahl von Varianten scheitert an der Größe des Aufwandes.
Der Aufwand wird noch einmal vergrößert durch die oben bereits erwähnte Störung des Seilverbundes in den Endbereichen der Probeseile.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Proben in Form von ein- stückigen Probekörpern, in denen die Drähte jeweils unmittelbar an endseitigen Kupplungsstücken angeformt sind, hergestellt werden Die auf diese Weise hergestellten Probekörper sind zwar mit einer Länge von z. B. nur 10 bis 20 cm und mit der Metallstruktur und der Oberfläche der Drähte den Proben aus Drahtseilen, die durch Verseilung gezogener Drähte hergestellt sind, nicht gleichzusetzen. Bei den Versuchen werden andere absolute Werte gefunden.
In der Relation der Werte lassen sich jedoch die Einflüsse der Geometrie, d. h. der Drahtdurchmesser und der Schlaglängenveränderungen, auch hier erkennen.
Durch Vergleich mit an Proben üblicher Herstellungsart gefundenen Werten kön- nen etwa zu berücksichtigende Korrekturgrößen gefunden werden.
Die Probekörper können auch in Kombination mit einer, entsprechend verminder- ten, Anzahl üblicher Seilproben bei einer Optimierungsaufgabe verwertet werden.
Die geringe Länge der Probekörper ist kein Nachteil. Bei allen genannten Versu- chen außer der Dauerbiegeprüfung hat die Länge der Probe entweder keinen Einfluss oder einen solchen Einfluss, der sich rechnerisch erfassen lässt.
Die auf der anderen Seite erzielten Vorteile sind beträchtlich.
Bei den herkömmlichen Versuchsseilen hängen die Messergebnisse nicht nur von der Veränderung der Seilparameter ab, sondern sie sind überlagert von den oben dargelegten Streuungen aus der Fertigung. Daraus können bekanntlich bei ungünstigem Zusammentreffen große Fehler erwachsen. Bei den gleichmäßigen erfindungsgemäßen Probekörpern lassen sich demgegenüber die Unterschiede der Messergebnisse fast ausschließlich auf die Parameterveränderungen zurück- führen.
Das bei der üblichen Probeseilherstellung vorhandene Problem der Verfügbarkeit der Drähte und der Durchmessertoleranzen entfällt völlig.
Die Störung der Seilstruktur an den beiden Enden ist nur geringfügig und weit- gehend vernachlässigbar. Die Drähte werden am Ende nicht durch die Fassung von vornherein verbogen und/oder in ihrem Querschnitt verformt. Sie gehen auf ihrem vollen Querschnitt im gleichen Material in das Kupplungsstück über.
Die zuvor erwähnten Vorteile hätten erfindungsgemäß hergestellte Probestücke ohne angeformte Kupplungsstücke aber gleichermaßen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der Aufbau der Drähte in einer Lage der Drähte zueinander begonnen, die der Anpressung der Drähte aneinander bei einer Belastung des Drahtseils entspricht oder angenähert ist, und auf einem anschließenden kurzen Abschnitt werden die Drähte so weit aufgefächert, dass sie dann nötigenfalls getrennt voneinander aufgebaut werden können. Am Ende wird entsprechend vorgegangen.
Damit wird eine kleine ggf. auch nach der Erfindung auftretende Unstetigkeit des Seilgefüges an den Enden gemildert und ihre Auswirkung in die Länge des Draht- seils hinein verkürzt : Die getrennt voneinander aufgebauten Drähte pressen sich bei Belastung auf ihrer Länge aneinander, sind an den Enden aber auf dem ursprünglichen Abstand gehalten. Dieser ist ohne die vorstehende Maßnahme größer, so dass sich eine Auffächerung der Drähte zum Ende hin ergibt.
Die vorgeschlagene umgekehrte Auffächerung schließt sich dagegen bei Belastung unter leichter Verbiegung der Drähte, und die Seilgeometrie bleibt gleichmäßig bis zum Ende.
Sofern sich eine Störung durch die Verbiegung der Drähte zeigt, kann man die Maßnahme auch nur begrenzt treffen und einen immer noch vorteilhaften Kom- promiß zwischen der betreffenden Verbiegung der Drähte und der Auffächerung der Drähte zum Ende hin finden.
Analog kann der Aufbau der Drähte unter einem Winkel der Drähte zur Quer- schnittsebene des Drahtseils begonnen werden, der dem Winkel bei einer Belastung des Drahtseils gleich oder angenähert ist, und dann werden die Drähte in den Winkel umgelenkt, der ohne Belastung vorgesehen ist.
Die genannte der Anpressung entsprechende Lage der Drähte zueinander bedeutet, dass die Drähte dort zusammengewachsen sind. Das Drahtseil erhält damit Zusammenhalt, auch wenn die Drähte nicht an Kupplungsstücke angeformt
sind. In einer Lage in Abstand voneinander könnten die Drahtenden durch zwi- schen ihnen aufgebaute Stege verbunden werden.
An solche Enden eines Drahtseils könnten Kupplungsstücke auch angeschweißt oder angegossen, ggf. auch angeklebt werden.
Einen Probekörper wird man in der Regel einerseits bestrebt sein, möglichst kurz zu halten, um für den Schichtaufbau die Aspektverhältnisse (Drahtdurchmesser zu Höhe) nicht zu hoch werden zu lassen. Andererseits sollten die Probekörper immerhin eine Länge von mindestens der größten in ihnen enthaltenen Schlag- länge einer Litze, eines Herzseils oder des Seils aufweisen, damit ein seiltypisches Verhalten zustande kommt.
Die schlanken Drahtseile lassen es zu, in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung eine Mehrzahl, vorzugsweise eine Vielzahl, von Drahtseilen in demselben Arbeitsgang herzustellen.
Das bedeutet nicht nur die augenfällig damit verbundene Rationalisierung. Es wer- den außerdem Fertigungsstreuungen infolge Abweichungen zwischen verschiede- nen Arbeitsgängen eliminiert, die auch hier, allerdings nur in sehr geringem Maße, auftreten können.
Der Werkstoff kann demjenigen wirklicher Drähte nicht vergleichbar sein. Die nor- malerweise vorhandenen metallurgischen Möglichkeiten bestehen nicht, die durch das Walzen und Ziehen der Drähte entstehenden Texturen können nicht geschaffen werden.
Unter den im Rahmen des Selective Laser Meltings bekannten Werkstoffverwen- dungen kann jedoch ein einkomponentiger Werkstoff und als solcher immerhin auch Stahl ausgewählt werden, und das Stahlpulver kann durch den Laserstrahl örtlich vollständig aufgeschmolzen werden, so dass der Werkstoff der erzeugten Drähte im wesentlichen ein Kontinum darstellt. Es wird etwa die Hälfte der Festig- keit normaler Drähte erreicht.
Gegebenenfalls kann der Probekörper als Ganzes noch metallurgischen Wärme- behandlungen unterzogen werden.
Titan kommt ebenfalls als Werkstoff in Betracht.
Das Drahtseil könnte auch aus einer einzige Litze bestehen.
Die Technik des Schichtaufbaues ist in mehreren Varianten bekannt. Das gemein- same Prinzip ist ein aus drei Schritten bestehender und sich wiederholender Prozessablauf. Zunächst wird eine senkrecht verfahrbare Bauplattform um den durch die Schichtdicke vorgegebenen Betrag abgesenkt. Danach wird eine
Werkstoffschicht, z. B. ein Pulver, aufgetragen, so dass die vorangegangene Schicht sowohl auf den verfestigten als auch an den nicht verfestigten Stellen vollständig bedeckt ist. Im abschließenden Schritt werden die in einem 3D-CAD bereitgestellten Bauteilinformationen der aktuellen Schicht mittels Energiestrahlung in den Werkstoff übertragen, um ihn stellenweise zu verfestigen. Die Schritte wie- derholen sich, bis das Bauteil aufgebaut ist. Bekannt sind mehrere Systeme, die sich durch die zu verarbeitenden Werkstoffe, die Energiequelle sowie zusätzliche Verfahrensschritte unterscheiden.
Das Selective Laser Melting wird angewandt zur Herstellung von serienidentischen Prototypen, von Einsätzen mit konturangepassten Kühlkanälen für den Werkzeug- und Formenbau sowie anderen Bauteilen mit Hohistruktur, ferner von Einzelteilen, wie medizinischen Individualimplantaten und Kleinserien.
Bei der erfindungsgemäßen Anwendung des Verfahrens werden demgegenüber keine normal verwendbaren oder mit solchen genau formgleichen Teile erzeugt.
Die Probekörper sind darüber hinaus Gebilde eigener Art, die nur zur Ermittlung von Eigenschaftswerten in Zuordnung zu bestimmten Geometrien vorgesehen und brauchbar sind, wobei auch diese Ergebnisse noch nicht unmittelbar verwendbar sind und erst unter Berücksichtigung von Ähnlichkeitszusammenhängen zu prak- tisch verwertbaren Konstruktionsdaten führen.
Im folgenden sei die Erfindung anhand einer beispielhaften Darstellung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Durchführen von Selective Laser Melting in einem senkrechten Schnitt, Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Drahtseil.
In einem Schacht 1 ist eine heb-und senkbare Plattform 2 als Boden angeordnet, so dass eine Kammer 3 veränderlicher Tiefe gebildet ist. Die Kammer 3 geht an ihrer Oberseite über in eine Prozesskammer 4 von größerem Querschnitt. In der, mit Schutzgas gefüllten, Prozesskammer 4 ist eine Pulverauftragsvorrichtung 5 über die Kammer 3 hinweg verfahrbar. Die Pulverauftragsvorrichtung 5 ist ihrerseits zu befüllen mittels einer mit einem Vorratsbehälter verbundenen Zufuhreinrichtung 6.
Über einem mit einem Einkoppelfenster 7 versehenen Aufsatz 8 der Prozesskammer 4 ist eine Laserstrahlquelle 9 mit einer aus einer CAD-Anlage auf den X-Y-Koordina- ten gesteuerten Lenkeinrichtung für den Laserstrahl 10 angeordnet.
In der Kammer 3 erstrecken sich auf deren Höhe in einer Metallpulver-Schüttung 11 drei im Aufbau befindliche Drahtseile 12.
Der Querschnitt der Drahtseile 12 ist in Fig. 2 in größerem Maßstab dargestellt.
Der Aufbau der Drahtseile vollzieht sich wie folgt : Die Pulverauftragsvorrichtung 5 fährt über die Kammer 3 und trägt eine Schicht von z. B. 20 11 Dicke gleichmäßig über die Metallpulver-Schüttung 11 und die Drahtquerschnitte auf.
Das Metallpulver besteht beispielsweise aus Werkzeugstahl 1.2343, Edelstahl 1. 4404 oder Stahl 42 TrMo4. Es hat eine Korngröße < 45 u, könnte aber noch feiner sein.
Nachdem die Schicht gelegt ist, wird der Laserstrahl, beispielsweise mit einer Vor- schubgeschwindigkeit von 100 mm/sec, auf parallelen Bahnen über die Metallpul- ver-Schüttung 1 1 und die auf den Drähten liegende Schicht des Metallpulvers geführt. Er wird jedoch nur eingeschaltet auf denjenigen Querschnittsabschnitten, in denen die Drähte aufgebaut werden sollen. Die betreffenden Geometrieinfor- mationen sind in Form eines 3D-CAD-Modells in der CAD-Anlage bereitgestellt.
Das CAD-Modell ist mittels spezieller Software in Schichten der betreffenden Schichtdicke zerlegt. Entsprechend werden die Laserstrahlquelle und die Lenkung des Laserstrahls gesteuert.
Der Laserstrahl hat in seinem Umkreis eine Wirksamkeit von z. B. 200 u Durchmesser.
Demgemäß liegen die genannten Bahnen in einem Abstand von 100 fi. nebenein- ander. Die wirksame Tiefe des Laserstrahls ist etwa gleich der Schichtdicke, d. h. z. B.
2û, u.
An den Grenzen der Drahtquerschnitte ist das Einschalten der Laserstrahlquelle verzögert und das Abschalten vorgezogen entsprechend dem Wirkungsdurch- messer des Laserstrahls, um den Drahtdurchmesser von z. B. 1,5 bis 2 mm genau zu erzeugen.
Nach dem Entnehmen der fertigen Drahtseile 12 wird das in deren Hohlräumen befindliche Metallpulver durch Schütteln, Klopfen, Blasen, Schwemmen und/oder dgl., ggf. bis auf kleine Reste, entfernt.
Dafür kann das kurze Drahtseil auch durch Verdrehen und/oder Stauchen im elastischen Verformungsbereich etwas aufgeweitet werden. Bei gegenläufigen Schlagrichtungen in verschiedenen Querschnittsbereichen können diese abwech-
selnd geringfügig aufgeweitet werden unter stärkerem Zuziehen des anderen Bereiches.
In angeformten Kupplungsstücken können axiale Auslasskanäle zumindest in der Verlängerung der Litzenzwickelräume ausgespart werden.