Herstellen einer Struktur mittels eines Kaltgasspritzverfah rens

Beim Aufbau von Strukturen mittels Kaltgasspritzen, insbeson dere von dreidimensionalen Strukturen, kommt es teilweise zu Überschneidungen des Verfahrweges außerhalb der Funktionsgeo metrie. Dies würde zu unerwünschten Überhöhungen der Struktur führen und birgt die Gefahr von Kollisionen mit dem Spritz werkzeug.

Wenn komplexe Strukturen gefertigt werden sollen, können Überschneidungen nicht immer vermieden werden. Bisher mussten diese im freien Raum stattfinden, was nicht immer möglich ist, da für die geometrische Abbildung von kaltgasgespritzten Strukturen eine konstante Verfahrgeschwindigkeit ideal und die Geometrie der Struktur oft ein limitierender Faktor ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu geben, das es ermöglicht komplexe Strukturen effizient mit tels eines Kaltgasspritzverfahrens herzustellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Das Verfahren zum Herstellen einer Struktur mittels eines Kaltgasspritzverfahrens, umfasst dabei die folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines Trägers mit einer Trägeroberfläche, auf die die Struktur mittels des Kaltgasspritzverfahrens durch Abfahren eines Verfahrwegs aufgebracht wird,

- Bereitstellen eines Elements mit einer von der Trägerober fläche verschiedenen Elementoberfläche, wobei das Element derart im Verfahrweg angeordnet und/oder der Verfahrweg der art festgelegt wird, dass Überschneidungen des Verfahrwegs und/oder Unterbrechungen der Struktur auf der Elementoberflä che angeordnet sind. Der Verfahrweg ist der Weg, den der Kaltgas-Partikelstrahl auf dem Träger abfährt und entlang dem sich auf dem Träger die Struktur ausbildet. In anderen Worten wird der Verfahrweg mit dem Kaltgas-Partikelstrahl abgefahren. Das Kaltgasspritz- Werkzeug wird also so bewegt, dass der Kaltgas-Partikelstrahl den Verfahrweg möglichst exakt nachbildet.

Vorzugsweise ist die Trägeroberfläche hinsichtlich einer Be schichtung bzw. eines Strukturaufbaus durch das Kaltgas spritzverfahrens optimiert. Bevorzugt zeichnet sich das Ele ment bzw. dessen Elementoberfläche dadurch aus, dass das Auf tragsmaterial nicht an der Oberfläche haften bleibt und es trotzdem dem Materialbeschuss durch den Partikelstrahl zumin dest zeitweise standhält. Überschneidungen umfassen dabei Kreuzungen des Verfahrwegs. Überschneidungen können ebenso vollständige und/oder teilweise Überlappungen des Verfahrwegs beinhalten, wenn dieser als Bandstruktur ausgebildet ist und damit eine Breite aufweist.

Das Verfahren hat dabei den Vorteil, dass auch komplexe Strukturen, deren Herstellung viele Überschneidungen bzw. Überschneidungen des Verfahrwegs benötigen, ohne Anpassung des Verfahrwegs gefertigt werden können, da an den Stellen des Verfahrwegs, an denen es zu einem unerwünschten erhöhtem Materialauftrag kommen würde, nur ein stark verringerter oder gar kein Materialauftrag stattfindet. Realisiert wird dies durch die Elementoberfläche, die von der Trägeroberfläche verschieden ausgebildet ist.

In kritischen Bereichen, die vor dem Partikelstrahl geschützt werden müssen, bzw. Überschneidungen oder andere Überhöhun gen, die einen übermäßigen Materialauftrag nach sich ziehen, können mittels eines Elements bzw. mehrere Elemente geschützt werden. In dem Beispielfall wird Kupfer als Auftragsmaterial verwendet und als „Opferplatte" eine Glasfaser gefüllte Epo xidharz Hartgewebe-Platte verwendet. Das Element kann weiter hin so angeordnet werden, dass kritische Strukturen, die kei- nesfalls dem Partikelstrahl ausgesetzt werden dürfen vom Ele ment abgedeckt und damit geschützt werden.

Mit dem vorliegenden Verfahren kann der Verfahrweg also so festgelegt und/oder das Element so angeordnet werden, dass Unterbrechungen der Struktur und/oder Überschneidungen des Verfahrwegs auf der Elementoberfläche des Elements angeordnet sind. Ergänzend oder alternativ zur Wahl der Position eines oder mehrerer Elemente kann auch der Verfahrweg so gewählt bzw. optimiert werden, dass Überschneidungen und/oder Unter brechungen der Struktur wiederholt auf dem Element angeordnet sind. Da die Elementoberfläche nur eine verringerte bzw. kei ne Beschichtung durch den Partikelstrahl zulässt können Un terbrechungen, z.B. elektrisch voneinander isolierte Teil- Strukturen, einfach realisiert werden.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Elementoberfläche im Vergleich zur Trägeroberfläche eine geringere Beschicht- barkeit auf. Die Elementoberfläche ist dabei vorzugsweise so ausgestaltet, dass eine Beschichtung mittels des Kaltgas spritzverfahrens möglichst nicht stattfindet oder deutlich verringert ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Elementoberfläche als ein Absorber für Partikel des Kaltgasspritzverfahrens ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass sich die Partikel so nicht oder nur in geringem Umfang auf der Oberfläche des Ele ments ablagern können. Kunststoffe können beispielsweise als ein solcher Absorber dienen.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Elementoberfläche so ausgebildet, dass Partikel des Kaltgasspritzverfahrens in die Elementoberfläche eindringen. Dies wird vorzugsweise durch eine Elementoberfläche gelöst, die eine kinetische Ver formung der Kaltgas-Partikel nicht ermöglicht, weil sie weich, duktil und/oder elastisch genug ist, um nachzugeben. Hier können neben Kunststoffmaterialien auch elastische Mate rialien, wie Gummi-Materialien und Komposite, verwendet wer- den. Die Partikel dringen dementsprechend in die Oberfläche ein, anstatt sich auf ihr abzulagern, und es kann sich dadurch keine Beschichtung und dementsprechend kein - an die sen Stellen unerwünschter - Materialauftrag bilden.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Elementoberfläche Kunststoff auf. Insbesondere fasergefüllter Kunststoff hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen. Das Element kann voll ständig aus Kunststoff, insbesondere aus fasergefülltem Kunststoff, bestehen oder eine KunststoffSchicht an der (Ele ment-)Oberfläche aufweisen. Elementoberfläche aus Kunststoff haben den besonderen Vorteil, dass diese günstig und gut ver fügbar sind und einfach auf die Anwendung angepasst werden können bzw. sogar direkt für die Anwendung maßgefertigt wer den können (z. B. durch 3D-Druck).

In einer weiteren Ausführungsform wird der Verfahrweg so ge wählt, dass die Elementoberfläche des Elements eine optimale Fläche aufweist. Optimal kann die Fläche zum Beispiel dann sein, wenn ihre Fläche minimal ist und ihre Ausdehnung in ei ner ihrer Dimensionen optimiert wurde. Dies ist abhängig von der zu fertigenden Struktur und je nach Anwendung eine beson ders gleichmäßig verteilte, eine besonders kleine und/oder eine Fläche mit einer bestimmten Form sein. Die Anordnung und die Wahl der Fläche kann weiteren Optimierungskriterien und/oder Randbedingungen unterliegen.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verfahrweg so gewählt wird, dass die Überschneidungen des Verfahrwegs auf der Elementoberfläche eines einzigen Elements angeordnet sind. Alternativ und/oder ergänzend kann das Ele ment auch so angeordnet bzw. ausgestaltet werden, dass alle Überschneidungen des Verfahrwegs auf dem Element liegen. Al ternativ und/oder ergänzend wird der Verfahrweg so festge legt, dass Unterbrechungen der Struktur innerhalb der Ele mentoberfläche eines einzigen Elements angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass nur ein Element angeordnet und dement- sprechend weniger effektive Fläche für das Element vorgesehen werden muss.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt: Herstellen der Struktur mittels Kaltgasspritzen durch Abfahren des Verfahrwegs. Der Partikelstrahl fährt den Verfahrweg ab, wobei sich die Struktur auf der Trägeroberflä che ablagert und damit Schicht für Schicht die Struktur aus bilden. Fährt der Partikelstrahl über die Elementoberfläche, so lagern die Partikel sich nicht darauf ab, sondern dringen z. B. darin ein, wodurch das Element mehrfach im Verfahrweg liegen kann, ohne dass es zu unerwünscht hohem Materialauf trag kommt.

In einer weiteren Ausführungsform wird das Element nach einem Herstellen der Struktur entfernt. Das Element wird dabei ins besondere aus der Struktur entfernt, sodass die Struktur kei ne Rückstände des Elements aufweist. Alternativ und/oder er gänzend können das Element oder Teile davon auch in der Struktur verbleiben. Das Element oder Teile davon können da bei eine Stützwirkung für die Struktur aufweisen. So kann das Element flexibel während der Herstellung der Struktur einge setzt werden und weitere Funktionen übernehmen.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Struktur ein Wi ckelkopf für eine elektrische Maschine. Wickelköpfe oder auch Wendebereiche der elektrischen Wicklungen von elektrischen Maschinen weisen durch die zu beachtenden minimalen Biegera dien der üblicherweise verwendeten Kupferleiter eine Grenze bei der minimalen Größe auf, die nicht weiter verkleinert werden kann. Durch Aufbau der Wickelköpfe als Struktur gemäß dem vorliegenden Verfahren brauchen Biegeradien nicht mehr berücksichtigt werden und der für die Wickelköpfe verwendete Bauraum kann erheblich verkleinert werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen: FIG 1 schematisch einen Verfahrweg,

FIG 2 einen Querschnitt durch einen Träger und ein Ele ment und

FIG 3 ein Beispiel einer komplexen Struktur.

FIG 1 zeigt schematisch einen Verfahrweg 10 einer Struktur 1, die hier nicht gezeigt ist bzw. noch nicht aufgebaut wurde. Der Verfahrweg 10 befindet sich dabei auf einem Träger 5, in dessen Mitte ein Element 7 angeordnet ist. Der Verfahrweg 10 weist gestrichelte Bereiche auf, die auf dem Element 7 ange ordnet sind. An einer Überschneidung X10 kreuzt sich der Ver fahrweg 10. An der Überschneidung X10 würde ein unerwünschter Materialauftrag entstehen, was zu einer Kollision mit dem Kaltgasspritzwerkzeug führen könnte. Erfindungsgemäß weist das Element 7 daher eine Elementoberfläche 70 auf, die von einer Elementoberfläche 50 des Trägers 5 verschieden ist.

Dies wird in FIG 2 näher erläutert, wozu in FIG 1 eine Schnittachse II-II eingezeichnet ist.

FIG 2 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittachse II-II durch den in FIG 1 gezeigten Träger 5 und das Element 7. Die Darstellung ist dabei nicht maßstabgetreu, um die auftreten den Effekte zu verdeutlichen. Durch das Abfahren des Verfahr wegs 10 entsteht auf dem Träger die Struktur 1. Die Struktur 1 ist in diesem Fall bereits hergestellt und dementsprechend vollständig dargestellt. Ebenfalls zu sehen ist ein uner wünschter Materialauftrag 100, der gepunktet angedeutet ist. An der Überschneidung X10 ist der Materialauftrag zu hoch, was zu einer Kollision mit dem Kaltgasspritzen Werkzeug füh ren könnte. Da die Elementoberfläche 70 aber von der Träger oberfläche 50 verschieden ausgebildet ist, findet auf der Elementoberfläche 70 kein Materialaufbau statt. So kann die Überschneidung X10 mehrfach abgefahren werden ohne dass es zu einem unerwünschten Materialaufbau kommt. Vorzugsweise kann das Element 7 als Epoxidharz Platte ausgebildet sind sein. In diesem Fall ist das Element 7 Scheibenelement ausgebildet und kann in eine Aussparung im Träger 5 eingelegt werden, sodass sich eine ebene Fläche aus der Elementoberfläche 70 und der Trägeroberfläche 50 bildet.

FIG 3 zeigt ein Beispiel einer komplexen Struktur 1, die in diesem Fall als ein Wickelkopf für eine elektrische Maschine ausgebildet ist. Die Windungen des Wickelkopfes werden dabei als Struktur 1 aufgebaut und können bspw. untereinander nicht elektrisch verbunden aufgebaut werden, und z. B. im Anschluss mit den Motorwindungen elektrisch kontaktiert werden. Schema tisch angedeutet ist eine Düse 20, die zum Aufträgen der Struktur 1 mittels eines Kaltgasspritzverfahrens ausgebildet ist. Die Struktur 1 ist dabei auf einem Träger 5 bzw. dessen Trägeroberfläche 50 angeordnet. Die gestrichelten Teile eines Verfahrwegs 10 deuten an, dass die Struktur 1 mit einer ein zigen Bewegung ohne Unterbrechung des Partikelstrahls und oh ne Absetzen abgefahren werden kann. Der Verfahrweg weist dazu einen Start 10S und ein Ende 10E auf. Die Düse 20 fährt den Verfahrweg 10 vom Start 10S bis zum Ende 10E in einer Bewe gung ab. Ein Element 7 ist hier mittig angeordnet, wobei die Elementoberfläche 70 einen Teil des Verfahrwegs beinhaltet. Überschneidungen X10 des Verfahrwegs sind ebenso angedeutet und liegen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Er findung mittig auf der Elementoberfläche 70. Durch die erfin dungsgemäße Ausgestaltung des Elements 7, bzw. dessen Ele mentoberfläche 70, findet auf der Elementoberfläche 70 kein signifikanter Materialauftrag statt und der Verfahrweg 10 kann das Element mehrfach kreuzen. Dies verbessert die Her- stellbarkeit von komplexen Strukturen erheblich und erweitert die Freiheitsgrade, die bei der Konstruktion von Strukturen zur Verfügung stehen.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Her stellen einer Struktur 1 mittels eines Kaltgasspritzverfah rens. Um komplexe Strukturen 1 effizient mittels Kaltgas spritzen zu herzustellen werden folgende Schritte vorgeschla gen:

- Bereitstellen eines Trägers 5 mit einer Trägeroberfläche 50, auf die die Struktur 1 mittels des Kaltgasspritzverfah- rens durch Abfahren eines Verfahrwegs 10 aufgebracht wird,

- Bereitstellen eines Elements 7 mit einer von der Träger oberfläche 50 verschiedenen Elementoberfläche 70, wobei das Element 7 derart im Verfahrweg 10 angeordnet und/oder der Verfahrweg 10 derart festgelegt wird, dass Überschneidungen X10 des Verfahrwegs 10 auf der Elementoberfläche 70 angeord net sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Element 7 zur Verwendung mit dem Verfahren.