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DE102016210391A1 - Druckbelastetes Bauteil sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Druckbelastetes Bauteil sowie Verfahren zu dessen Herstellung Download PDF

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DE102016210391A1
DE102016210391A1 DE102016210391.1A DE102016210391A DE102016210391A1 DE 102016210391 A1 DE102016210391 A1 DE 102016210391A1 DE 102016210391 A DE102016210391 A DE 102016210391A DE 102016210391 A1 DE102016210391 A1 DE 102016210391A1
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DE
Germany
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pressure
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pressurized component
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102016210391.1A
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English (en)
Inventor
Michael Dahme
Gordon Triesch
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Hirschvogel Umformtechnik GmbH
Original Assignee
Hirschvogel Umformtechnik GmbH
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Publication date
Application filed by Hirschvogel Umformtechnik GmbH filed Critical Hirschvogel Umformtechnik GmbH
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein druckbelastetes Bauteil (1), insbesondere in der Ausbildung eines Kraftstoffhochdruckspeichers (Rail), aufweisend einen integral ausgebildeten Grundkörper (2), welcher wenigstens zwei sich in einem Schnittbereich (S) schneidende Kanäle (3, 4) zum Durchführen eines Fluids durch den Grundkörper (2) aufweist, wobei in dem Grundkörper (2) wenigstens im Schnittbereich (S) der Kanäle (3, 4) eine an der durch die Kanäle (3, 4) begrenzten Innenwand (6) des Grundkörpers (2) angebundene (7), offene Stützstruktur (5) zum Stützen des Grundkörpers (2) gegenüber innerer oder äußerer Druckbelastungen des Grundkörpers (2) wenigstens im Schnittbereich (S) vorgesehen ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen druckbelasteten Bauteils (1)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein druckbelastetes Bauteil mit einem integral ausgebildeten Grundkörper sowie wenigstens zwei sich in einem Schnittbereich schneidende Kanäle zum Durchführen eines Fluids durch den Grundkörper.
  • Druckbelastete bzw. hochbelastete druckführende Bauteile sind aus dem Stand der Technik beispielsweise in der Ausbildung eines Kraftstoffhochdruckspeichers (Rail) für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine bekannt. Darüber hinaus werden für unterschiedliche Aufgabenstellungen Fluid-führende Bauteile bzw. Körper eingesetzt, die häufig gegenüber der Umgebung einem inneren und/oder äußeren Druck ausgesetzt sind. Fluide können hierbei Luft oder sonstige Gase, Flüssigkeiten wie Wasser, Treibstoff und dergleichen sein. Häufig sind diese Bauteile stark schwankenden Drücken ausgesetzt. Hierdurch werden die Bauteile entsprechend statisch und/oder zyklisch belastet. Bei hohen Druckunterschieden kann es aufgrund der Belastung zum spontanen Versagen der Bauteile kommen. Auch ein Versagen nach einer gewissen Anzahl von Lastspielen (Zyklen) kann auftreten.
  • Um dem entgegenzuwirken ist es aus dem Stand der Technik bekannt, durch entsprechende Armierungen von außen oder durch eine sogenannte Autofrettage-Behandlung das ertragbare Druckniveau zu erhöhen bzw. die Anzahl der ertragbaren Lastspiele (Zyklen) zu steigern. Dies erfordert zusätzliche Bauteile und/oder aufwändige Fertigungsschritte. Auch die Nutzung hochfester Werkstoffe ist denkbar, welche unter Umständen zu deutlich höheren Bauteilkosten führen kann. Die DE 102 47 524 A1 schlägt überdies vor, bei einem mittels Gießen hergestellten Kraftstoffverteiler die Kanten am Übergang von Radialbohrungen zum Druckspeicher zu verrunden.
  • Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, druckbelastete Bauteile in einfacher Weise bereitzustellen, welche ein hohes ertragbares Druckniveau bzw. für eine hohe Anzahl an ertragbaren Lastzyklen ausgebildet sind.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
  • Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein druckbelastetes Bauteil, insbesondere in der Ausbildung eines Kraftstoffhochdruckspeichers (Rail), aufweisend einen integral ausgebildeten Grundkörper, welcher wenigstens zwei sich in einem Schnittbereich schneidende Kanäle zum Durchführen eines Fluids durch den Grundkörper aufweist, wobei in dem Grundkörper wenigstens im Schnittbereich der Kanäle eine an der durch die Kanäle begrenzten Innenwand des Grundkörpers angebundene, offene Stützstruktur zum Stützen des Grundkörpers gegenüber (innerer und/oder äußerer) Druckbelastungen des Grundkörpers wenigstens im Schnittbereich vorgesehen ist.
  • Insbesondere im Übergangsbereich sich schneidender Kanäle in einem integral ausgebildeten, hohlen Grundkörper sind die Belastungen bei innerer oder äußerer Druckbelastung des Grundkörpers und insbesondere bei durchströmenden Fluiden besonders hoch, so dass durch das Bereitstellen einer entsprechend an der Innenwand des Grundkörpers angebundenen und offenen Stützstruktur diese Druckbelastungen ohne (wesentliche) Beeinflussung des Strömungsweges sicher aufgenommen bzw. abgestützt werden können. Folglich kann das ertragbare Druckniveau bzw. die Anzahl der ertragbaren Lastzyklen und somit die Lebensdauer des Bauteils deutlich erhöht werden. Auf zusätzlich vorzusehenden Bauteile (bspw. Armierungen), eine zusätzliche Bauteilbehandlung (bspw. Autofrettage-Behandlung) oder die Verwendung hochfester Werkstoffe kann verzichtet werden.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Stützstruktur wird es ermöglicht, nicht nur auf Innendruck-beaufschlagte Bauteile/Körper vorteilhaft wirkend angewandt zu werden, sondern insbesondere auch bei solchen, die durch Außendruck beaufschlagt werden. So können beispielsweise druckführende Rohre oder Behälter bereitgestellt werden, welche aufgrund der inneren ‚versteifenden‘ Stützstruktur erhöhte schadensfrei bzw. lebensverlängernd ertragbare Innendrücke bzw. Außendrücke ertragen als vergleichbare Bauteile ohne diese Struktur. Durch die Bereitstellung der Stützstruktur insbesondere im stark beanspruchten Schnittbereich der Kanäle können beispielsweise in den Bereichen von Leitungsabgängen die ertragbaren Drücke erhöht und/oder die Lebensdauer des Bauteils bis zum Versagen verlängert werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist die Stützstruktur integral mit dem Grundköper ausgebildet, so dass sie zum einen direkt bei der Herstellung des Grundkörpers mit vorgesehen werden kann und zum anderen sicher an dem Grundkörper angebunden ist. Auf diese Weise kann die Stützwirkung der Stützstruktur besonders effektiv bereitgestellt werden.
  • Die Stützstruktur kann dabei bevorzugt belastungsoptimiert ausgebildet sein. Hierfür werden idealerweise entsprechende FEM (Finite-Elemente-Methode) Berechnungstools zur Auslegung und Gestaltung eingesetzt, die eine lokale belastungsabhängige Gestaltung zulassen. Die belastungsoptimierte Ausbildung basiert dabei insbesondere auf FEM-Berechnungen zur Topologieoptimierung und/oder Shapeoptimierung des Bauteils.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist die Stützstruktur eine regelmäßige geometrische Form oder eine beliebige andere Gestaltung auf. Denkbar sind hier beispielsweise eine Stabstruktur, eine Gitterstruktur eine Matrixstruktur bzw. Matrixform, eine Maschenstruktur oder eine Wabenstruktur. Jedoch sind auch andere Ausgestaltungen denkbar.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist die Stützstruktur durch mehrere Elemente gebildet. Diese Elemente können beispielsweise Streben und/oder Stäbe sein. Diese können bevorzugt homogen oder auch inhomogen verteilt angeordnet und/oder dimensioniert sein. Derartige Ausgestaltungen zeichnen sich insbesondere durch eine in Erstreckungsrichtung hohe Lastaufnahme bei vergleichsweise geringer geometrischer Dimension aus. Zudem kann über die Verteilung und/oder Dimensionierung der Elemente der Stützstruktur eine belastungsoptimierte Ausgestaltung derselben bei minimalem Materialeinsatz erzielt werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsform können die die Stützstruktur bildenden Elemente wenigstens teilweise miteinander verbunden oder integral miteinander ausgebildet sein. Dabei sind die Verbindungsbereiche der Elemente bevorzugt verrundet ausgebildet. Die vorliegende Erfindung erlaubt es somit, bei entsprechender Ausführung und Gestaltung der inneren Stützstruktur auf lokale Lastspitzen aufgrund der Betriebslasten (Druckbeaufschlagung) durch lokale Ausprägung/Anpassung von beispielsweise Anzahl, Dicke und Ausgestaltung der Elemente und deren Verbindung (Verrundung) dieser Elemente bzw. Strukturen zu reagieren.
  • In vergleichbarer Weise kann die Anbindung der Stützstruktur an den Grundkörper insbesondere zur Spannungsreduktion ebenso ausgerundet ausgebildet sein.
  • Für die Anbindung sowie für die Verbindungsbereiche der Elemente gilt dabei in gleicher Weise, dass für diese nicht nur Radien sondern auch beliebige (belastungsangepasste) geometrische Gestaltungen vorgesehen werden können.
  • Die Stützstruktur, insbesondere deren Elemente, kann (können) gleichmäßig oder ungleichmäßig ausgebildet sein. Letzteres kann bspw. mit definierter Materialanhäufung insbesondere in Bereichen relativ höherer Belastung der Stützstruktur erzielt werden. Somit kann über die Dimensionierung (der Elemente) der Stützstruktur eine belastungsoptimierte Ausgestaltung derselben bei minimalem Materialeinsatz erzielt werden.
  • Die Stützstruktur kann wenigstens über einen Teil, vorzugsweise wenigstens an gegenüberliegenden Bereichen und besonders bevorzugt über den gesamten den Schnittbereich begrenzenden Innenwandbereich des Grundköpers verteilt an dem Grundköper angebunden sein. Auf diese Weise kann eine belastungsangepasste Stützstruktur bei möglichst gleichmäßiger und großflächiger Verteilung der Stützlast bereitgestellt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist im Wesentlichen gegenüber jeder Anbindung der Stützstruktur an dem Grundkörper eine korrespondierende Anbindung der Stützstruktur an dem Grundkörper vorgesehen sein.
  • Die offene Stützstruktur kann in ihrem Inneren Hohlräume begrenzen oder einschließen, welche gleichmäßig oder ungleichmäßig ausgebildet und/oder gleichmäßig oder ungleichmäßig in der Stützstruktur verteilt angeordnet sind. Somit kann (auch) über die Dimensionierung und/oder Verteilung der Hohlräume in der Stützstruktur eine belastungsoptimierte Ausgestaltung derselben bei minimalem Materialeinsatz erzielt werden.
  • Der Schnittbereich kann bevorzugt eine spannungsreduzierende geometrische Form aufweisen. Hierzu kann der Schnittbereich beispielsweise wenigstens teilweise abgerundet und besonders bevorzugt wenigstens teilweise sphärisch ausgebildet sein. Grundsätzlich ist jedoch jede freie, belastungsangepasste Gestaltung der Grundstruktur des Schnittbereichs bzw. des Grundkörpers des druckbelasteten Bauteils denkbar. In Kombination mit der erfindungsgemäßen Stützstruktur kann somit das Abfangen von Lastspitzen weiter verbessert unterstützt werden.
  • Das druckbelastete Bauteil ist bevorzugt aus Metall oder Kunststoff hergestellt. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt und kann prinzipiell auf alle Arten von druckbelasteten Bauteilen aus jedweden Werkstoffen angewendet werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist das druckbelastete Bauteil in Form bzw. in Ausbildung eines Kraftstoffhochdruckspeichers (Rail) bereitgestellt. Einer der Kanäle des Grundkörpers ist dabei bevorzugt als Längshohlraum ausgebildet, in den wenigstens ein weiterer Kanal in den Schnittbereich bzw. den Schnittbereich bildend mündet.
  • Das druckbelastete Bauteil ist bevorzugt mittels Urformverfahren oder generativer Fertigungsverfahren bereitgestellt. Somit betrifft die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung eines druckbelasteten Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung mittels eines Urformverfahrens oder eines generativen Fertigungsverfahrens. Insbesondere durch generative Fertigungsverfahren kann eine beliebige und insbesondere mittels FEM-Berechnung belastungsoptimierte Stützstruktur in jedweder Form umgesetzt werden. Durch generative Fertigung können beispielsweise Gestaltungen des Bauteils und der Stützstruktur vorgenommen werden, welche sich klassischen Herstellungsverfahren verschließen. Beispielsweise bei entsprechend grob gewählten Strukturen ist es auch möglich, dass druckbelastete Bauteil in üblicher Weise mittels Urformverfahren – also beispielsweise Gießverfahren – herzustellen.
  • Weitere Ausgestaltungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figuren der begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine Detail-Querschnittsansicht eines druckbelasteten Bauteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 2 eine Detail-Querschnittsansicht eines druckbelasteten Bauteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 3a und 3b Detail-Querschnittsansichten eines druckbelasteten Bauteils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 4a und 4b Detail-Querschnittsansichten eines druckbelasteten Bauteils gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 5 bis 7 drei weitere geometrische Ausgestaltungsformen für eine Stützstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 8 eine schematische Detailansicht einer weiteren geometrischen Ausgestaltung einer Stützstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 9a eine Detail-Querschnittsansicht eines druckbelasteten Bauteils ohne Stützstruktur,
  • 9b eine Detailansicht der 9a mit dargestellten Spannungsverläufen bei Innendruckbelastung,
  • 10a eine Detail-Querschnittsansicht eines druckbelasteten Bauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Stützstruktur mit belastungsangepasstem Schnittbereich, und
  • 10b eine Detailansicht der 10a mit dargestellten Spannungsverläufen bei Innendruckbelastung.
  • Die 1 bis 4 zeigen allesamt unterschiedliche Ausgestaltungsformen eines erfindungsgemäßen druckbelasteten Bauteils 1. Die dargestellten druckbelasteten Bauteile 1 liegen in der Ausbildung eines Kraftstoffhochdruckspeichers (Rail) für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine vor. Jedoch ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt, sondern lässt sich vielmehr prinzipiell auf alle Arten von druckbelasteten Bauteilen mit Kanalstruktur zum Durchführen eines Fluids (bspw. druckführende Körper, Leitungen, etc.) anwenden.
  • Das druckbelastete Bauteil 1 weist einen integral ausgebildeten Grundköper 2 auf. „Integral ausgebildet“ heißt dabei im Rahmen der Erfindung, dass der Grundköper einstückig aus einem Material hergestellt ist; beispielsweise mittels eines generativen Fertigungsverfahrens oder eines Urformverfahrens. Grundsätzlich sind auch andere Herstellungsverfahren wie spanende Herstellungsverfahren denkbar.
  • Der Grundköper 2 weist wenigstens zwei sich in einem Schnittbereich S schneidende Kanäle 3, 4 zum Durchführen eines Fluids durch den Grundköper 2 auf. Unter „Schnittbereich“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Bereich zu verstehen, in dem sich wenigstens zwei Kanäle, welche sich bevorzugt nicht geradlinig sondern beispielsweise abgewinkelt voneinander im Grundköper 2 erstrecken, treffen bzw. in dem diese zusammenlaufen. In der dargestellten Ausführungsform, wie dies bei Kraftstoffhochdruckspeichern häufig der Fall ist, stehen die beiden dargestellten Kanäle 3, 4 in einem rechten Winkel zueinander. Der Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt.
  • Mit Verweis auf die 9a und 9b ist es beispielsweise denkbar, dass der Schnittbereich S durch zwei hier beispielsweise mittels zylindrischer Bohrungen eingebrachter, einander schneidender Kanäle 3, 4 gebildet wird. Dabei ergibt sich ein – wie aus 9b ersichtlich – hochbeanspruchter Übergang zwischen den beiden Kanälen 3, 4, welcher bei Druckbelastung hohen Spannungen ausgesetzt ist, wie insbesondere 9b zu entnehmen ist. In diesem Schnittbereich S kann dann, wie im Weiteren beschrieben wird, eine erfindungsgemäße Stützstruktur 5 vorgesehen sein.
  • Mit Verweis auf die 10a und 10b ist es jedoch auch denkbar, dass der Schnittbereich S selbst eine spannungsreduzierende geometrische Form aufweist. Dabei kann es sich um eine freie, belastungsangepasste Gestaltung des Grundköpers 2 handeln. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Schnittbereich S wenigstens teilweise abgerundet und besonders bevorzugt wenigstens teilweise sphärisch bzw. kugelig ausgebildet, wie dies insbesondere aus 10 sowie den 1 bis 4 ersichtlich ist. Durch die abgerundeten Übergänge im Schnittbereich S der Kanäle 3, 4 kann somit bereits eine deutliche Spannungsreduktion des druckbelasteten Bauteils 1 insbesondere im hochbeanspruchten Bereich der sich schneidenden Kanäle 3, 4 (also im Schnittbereich S) erzielt werden. In diesem so ausgestalteten Schnittbereich S kann dann eine erfindungsgemäße Stützstruktur 5, wie sie im Weiteren beschrieben wird, vorgesehen sein.
  • In dem Grundkörper 2 ist gemäß der vorliegenden Erfindung wenigstens im Schnittbereich S der Kanäle 3, 4 die vorgenannte offene Stützstruktur 5 zum Stützen des Grundköpers 2 gegenüber innerer und/oder äußerer Druckbelastungen des Grundköpers 2 wenigstens im Schnittbereich S vorgesehen. Unter „offen“ wird bezüglich der Stützstruktur 5 im Rahmen der Erfindung verstanden, dass die Stützstruktur 5 ein Durchströmen eines Fluids durch den Grundkörper 2 ohne (wesentliche) Beeinflussung des Strömungsweges und der Strömungsmenge erlaubt; mithin also ohne (wesentliche) Beeinträchtigung der Strömungscharakteristik eines vergleichbaren Bauteils ohne Stützstruktur 5. Man kann allgemein auch von einer ‚hohlen‘ Stützstruktur sprechen.
  • Die offene Stützstruktur 5 der vorliegenden Erfindung ist an der durch die Kanäle 3, 4 begrenzten Innenwand 6 des Grundkörpers 2 angebunden (siehe Anbindung 7). Unter „angebunden“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Stützstruktur 5 mit der Innenwand 6 des Grundkörpers 2 wenigstens im Schnittbereich S in Verbindung steht, um bevorzugt die inneren und/oder äußeren Druckbelastungen aufnehmen zu können und somit den Grundkörper 2 im Betrieb zu entlasten.
  • Die Anbindung 7 der Stützstruktur 5 an den Grundkörper 2 ist bevorzugt spannungsreduzierend ausgebildet. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist sie dabei insbesondere ausgerundet ausgebildet, wie dies beispielsweise der 2 auf deutliche Weise zu entnehmen ist. Auch die Anbindung 7, wie in den 1, 3 und 4 dargestellt, ist spannungsreduzierend – da leicht ausgerundet – ausgebildet.
  • Die Stützstruktur 5 ist vorzugsweise integral mit dem Grundkörper 2 ausgebildet, wie dies beispielshaft in den 1 bis 4 dargestellt ist. Die Stützstruktur 5 kann belastungsoptimiert ausgebildet sein und basiert dabei insbesondere auf FEM-Berechnungen beispielsweise zur Topologieoptimierung und/oder Shapeoptmierung. Beispiele derartig lokal optimiert angepasste Geometrien auf Basis von FEM-Berechnungen sind beispielsweise in den 6 und 8 dargestellt.
  • Die Stützstruktur 5 kann dabei jede beliebige Gestalt aufweisen. Beispielsweise kann die Stützstruktur 5 auch eine regelmäßige geometrische Form aufweisen, wie sie beispielsweise in den 1 bis 5 gezeigt ist. Bevorzugte Ausgestaltungsformen sind dabei Stabstrukturen (vgl. 1 bis 8), Gitterstrukturen (vgl. 3 bis 8), Matrixstrukturen (vgl. 4, 5 und 7), Maschenstrukturen oder Wabenstrukturen (vgl. 4 bis 8). Die Stützstruktur 5 kann bevorzugt durch mehrere Elemente 8 gebildet sein, um die Druckbelastung möglichst umfangreich zu verteilen. Als Elemente 8 kommen dabei insbesondere Streben und/oder Stäbe in Frage, wie sie in mehr oder weniger regelmäßiger bzw. unregelmäßiger Ausgestaltung und Anordnung in den 1 bis 8 dargestellt sind. Die Elemente 8 können, je nach Anforderung und insbesondere zur bestmöglichen Belastungsaufnahme, homogen verteilt (vgl. 1 bis 5 und 7) oder inhomogen verteilt (vgl. 6 und 8) angeordnet sein. Ebenso können die Elemente 8 homogen dimensioniert (vgl. 1 bis 5 und 7) oder inhomogen dimensioniert (vgl. 6 und 8) ausgebildet sein.
  • Neben den Elementen 8 an sich kann auch die Stützstruktur 5 als Ganzes gleichmäßig (vgl. 1 bis 5 und 7; bspw. symmetrisch) oder ungleichmäßig (vgl. 6 und 8) ausgebildet sein. Mit Verweis auf 8 ist beispielhaft ein Ausschnitt einer belastungsoptimierten bzw. lokal optimiert angepassten Geometrie einer Stützstruktur 5 dargestellt. Wie dieser zu entnehmen ist, ist die Stützstruktur 5 als Ganzes und sind die Elemente 8 im Einzelnen im linken Bereich der Stützstruktur 5 stärker bzw. dicker ausgebildet als in einem rechten Bereich derselben, um bspw. dort auftretende höhere Belastungen in dem ihnen zugeordneten Bereich des Bauteils 1 bzw. Grundkörpers 2 sicher aufzunehmen. Vorzugsweise kann eine solche belastungsoptimierte Ausbildung der Stützstruktur 5 bzw. der einzelnen Elemente 8 durch definierte Materialanhäufungen insbesondere in Bereichen relativ höherer Belastung der Stützstruktur 5 – oder umgekehrt durch Materialeinsparung in Bereichen relativ niedrigerer Belastung der Stützstruktur 5 – erzielt werden.
  • Vorzugsweise begrenzt die offene Stützstruktur 5 in ihrem Inneren Hohlräume 10 oder schließt selbige ein (vgl. 1 bis 8). Auch diese Hohlräume 10 können, je nach Anforderung und Belastungsprofil des Bauteils 1, gleichmäßig (vgl. 1 bis 5 und 7) oder ungleichmäßig (vgl. 6 und 8) ausgebildet sein. Ferner können die Hohlräume 10 gleichmäßig (vgl. 1 bis 5 und 7) oder ungleichmäßig (vgl. 6 und 8) in der Stützstruktur 5 verteilt angeordnet sein. Beispielsweise mit erneutem Verweis auf 8 sind die dort dargestellten Hohlräume 10 im linken und rechten Bereich größer ausgebildet als diejenigen in dem mittleren Bereich.
  • Aufgrund der komplexen Spannungs- bzw. Belastungsverteilung im druckbelasteten Bauteil 1 bzw. Grundkörper 2 im Betrieb, wie beispielhaft den 9b und 10b zu entnehmen ist, können sich je nach Anforderung und Belastungsprofil ebenso komplexe belastungsoptimierte Stützstrukturen 5 ergeben. Diese sind bevorzugt in Verteilung und Dimensionierung der Elemente 8 und Hohlräume 10 (belastungs-)optimiert ausgelegt.
  • Die die Stützstruktur 5 bildenden Elemente 8 sind dabei bevorzugt wenigstens teilweise miteinander verbunden oder sogar integral miteinander ausgebildet, wie dies beispielsweise aus den 2 und 4 bis 10 ersichtlich ist. Dabei können die Verbindungsbereiche 9 der Elemente 8 bevorzugt spannungsreduzierend und insbesondere verrundet ausgebildet sein, wie dies besonders deutlich den 2, 4 und 8 zu entnehmen ist.
  • Um eine besonders effiziente Abstützung und somit Druckentlastung sowie Spannungsreduzierung des druckbelasteten Bauteils 1 mittels der Stützstruktur 5 zu erzielen, kann die Stützstruktur 5 wenigstens über einen Teil, vorzugsweise wenigstens an gegenüberliegenden Bereichen (vgl. 1 bis 4) und besonders bevorzugt über den gesamten den Schnittbereich S begrenzenden Innenwandbereich des Grundkörpers 2 verteilt (vgl. beispielsweise 2 bis 4) an den Grundkörper 2 angebunden sein. Eine besonders gleichmäßige Abstützung wird erzielt, wenn im Wesentlichen gegenüber jeder Anbindung 7 der Stützstruktur 5 – also der einzelnen Elemente 8 der Stützstruktur 5 – an dem Grundkörper 2 eine korrespondierende Anbindung 7 der Stützstruktur 5 an dem Grundkörper 2 vorgesehen ist.
  • Das druckbelastete Bauteil 1 kann dabei aus jedem beliebigen Werkstoff hergestellt sein. Insbesondere bieten sich dabei Metall oder Kunststoff an. Als Herstellungsverfahren sind insbesondere bei komplexen Geometrien des druckbelasteten Bauteils 1 selbst und insbesondere der Stützstruktur 5 generative Fertigungsverfahren denkbar. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Verfahren wie beispielsweise Urformverfahren oder Spritzgussverfahren denkbar. Die Erfindung ist jedoch auf keine Herstellungsverfahren beschränkt, sofern ein druckbelastetes Bauteil 1 mit entsprechend vorgesehener Stützstruktur 5 bereitgestellt werden kann. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass eine entsprechende Stützstruktur nachträglich – also nach der Herstellung des druckbelasteten Bauteils 1 – wenigstens in dem Schnittbereich S bereitgestellt wird/ist. Eine Anbindung 7 kann dann beispielsweise mittels stoffschlüssiger Verfahren oder durch Kleben und dergleichen ermöglicht werden.
  • Wie insbesondere den 1 bis 4 zu entnehmen ist, ist das druckbelastete Bauteil 1 bevorzugt ein Kraftstoffhochdruckspeicher (Rail). Einer der Kanäle 3 kann dabei als Längshohlraum ausgebildet sein, über den dann beispielsweise der Kraftstoff in das Rail eingeführt wird. In diesen Kanal 3 mündet dann wenigstens ein weiterer Kanal 4 und bildet somit den vorbezeichneten Schnittbereich S. Dieser wenigstens eine weitere Kanal 4 dient der Verteilung des Kraftstoffs zu den jeweiligen Einspritzdüsen.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sofern sie vom Gegenstand der folgenden Ansprüche umfasst ist. Insbesondere ist dabei die Stützstruktur 5 in ihrer geometrischen Ausgestaltung und Anbindung 7 an den Grundkörper 2 nicht durch die Erfindung beschränkt, sofern sie bezüglich innerer und/oder äußerer Druckbelastung des Grundkörpers 2 für diesen eine Stützwirkung bereitstellt. Auch ist die Erfindung nicht auf bestimmte druckbelastete Bauteile 1 beschränkt. Prinzipiell lässt sich die vorliegende Erfindung auf alle Arten von druckbelasteten Bauteilen 1 aus jedweden Werkstoffen anwenden. Auch die geometrische Ausgestaltung des Schnittbereichs S ist durch die vorliegende Erfindung nicht beschränkt. Ebenso ist die Anzahl der Kanäle 3, 4 und deren Ausrichtung bzw. Abwinkelung zueinander nicht durch die vorliegende Erfindung beschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10247524 A1 [0003]

Claims (15)

  1. Druckbelastetes Bauteil (1), insbesondere in der Ausbildung eines Kraftstoffhochdruckspeichers (Rail), aufweisend einen integral ausgebildeten Grundkörper (2), welcher wenigstens zwei sich in einem Schnittbereich (S) schneidende Kanäle (3, 4) zum Durchführen eines Fluids durch den Grundkörper (2) aufweist, wobei in dem Grundkörper (2) wenigstens im Schnittbereich (S) der Kanäle (3, 4) eine an der durch die Kanäle (3, 4) begrenzten Innenwand (6) des Grundkörpers (2) angebundene (7), offene Stützstruktur (5) zum Stützen des Grundkörpers (2) gegenüber innerer oder äußerer Druckbelastungen des Grundkörpers (2) wenigstens im Schnittbereich (S) vorgesehen ist.
  2. Druckbelastetes Bauteil (1) nach Anspruch 1, wobei die Stützstruktur (5) integral mit dem Grundkörper (2) ausgebildet ist.
  3. Druckbelastetes Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stützstruktur (5) belastungsoptimiert ausgebildet ist, insbesondere auf Basis von FEM-Berechnungen zur Topologieoptimierung und/oder Shapeoptimierung.
  4. Druckbelastetes Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützstruktur (5) eine regelmäßige geometrische Form oder eine beliebige andere Gestaltung aufweist, beispielsweise eine Stabstruktur, Gitterstruktur, Matrixstruktur, Maschenstruktur oder Wabenstruktur.
  5. Druckbelastetes Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützstruktur (5) durch mehrere Elemente (8), insbesondere Streben und/oder Stäbe, gebildet ist, welche bevorzugt homogen oder inhomogen verteilt angeordnet und/oder dimensioniert sind.
  6. Druckbelastetes Bauteil (1) nach Anspruch 5, wobei die die Stützstruktur (5) bildenden Elemente (8) wenigstens teilweise miteinander verbunden oder integral ausgebildet sind, wobei die Verbindungsbereiche (9) der Elemente (8) bevorzugt spannungsreduzierend und insbesondere verrundet ausgebildet sind.
  7. Druckbelastetes Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützstruktur (5), insbesondere deren Elemente (8), gleichmäßig oder ungleichmäßig ausgebildet ist, vorzugsweise mit definierter Materialanhäufung insbesondere in Bereichen relativ höherer Belastung der Stützstruktur (5).
  8. Druckbelastetes Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anbindung (7) der Stützstruktur (5) an den Grundkörper (2) spannungsreduzierend und insbesondere ausgerundet ausgebildet ist.
  9. Druckbelastetes Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützstruktur (5) wenigstens über einen Teil, vorzugsweise wenigstens an gegenüberliegenden Bereichen, besonders bevorzugt über den gesamten den Schnittbereich (S) begrenzenden Innenwandbereich des Grundkörpers (2) verteilt an dem Grundkörper (2) angebunden ist.
  10. Druckbelastetes Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Wesentlichen gegenüber jeder Anbindung (7) der Stützstruktur (5) an dem Grundkörper (2) eine korrespondierende Anbindung (7) der Stützstruktur (5) an dem Grundkörper (2) vorgesehen ist.
  11. Druckbelastetes Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die offene Stützstruktur (5) in ihrem Inneren Hohlräume (10) begrenzt oder einschließt, welche gleichmäßig oder ungleichmäßig ausgebildet und/oder gleichmäßig oder ungleichmäßig in der Stützstruktur (5) verteilt angeordnet sind.
  12. Druckbelastetes Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schnittbereich (S) eine spannungsreduzierende geometrische Form aufweist, vorzugsweise wenigstens teilweise abgerundet und besonders bevorzugt wenigstens teilweise sphärisch ausgebildet ist.
  13. Druckbelastetes Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das druckbelastete Bauteil (1) aus Metall oder Kunststoff hergestellt ist.
  14. Druckbelastetes Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das druckbelastete Bauteil (1) ein Kraftstoffhochdruckspeicher (Rail) ist, wobei einer der Kanäle (3) als Längshohlraum ausgebildet ist, in den wenigstens ein weiterer Kanal (4) in den Schnittbereich (S) mündet.
  15. Verfahren zur Herstellung eines druckbelasteten Bauteils (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mittels eines Urformverfahrens oder eines generativen Fertigungsverfahrens.
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