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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines Strukturbauteiles eines Fahrzeuges sowie ein Strukturbauteil für ein Fahrzeug.
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Es ist grundsätzlich bekannt, dass bei der Herstellung von Strukturbauteilen, insbesondere von Fahrzeugen, z. B. Gussverfahren oder Schmiedeverfahren eingesetzt werden. So können durch Stahlguss oder Aluminiumguss Grundkörper für Fahrzeuge als Strukturbauteile zur Verfügung gestellt werden. Dies erfolgt insbesondere in besonders kostengünstiger Weise in Großproduktionen mit sehr hohen Stückzahlen für Fahrzeuge.
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Nachteilhaft bei den bekannten Verfahren ist es, dass über die Gussverfahren feste geometrische Vorgaben und damit feste mechanische Belastbarkeiten für das jeweils hergestellte Strukturbauteil definiert werden. Ist es notwendig für einzelne Bauteile einer Serie bzw. Kleinserien eines Fahrzeuges einer höheren mechanischen Belastung gerecht zu werden, so muss dementsprechend eine Änderung der Werkzeuge bzw. eine Neuausbildung der Gusswerkzeuge erfolgen. Dies führt zu sehr hohen Kosten solcher Kleinserien. Darüber hinaus werden häufig Fahrzeuge z. B. mit unterschiedlichen Anforderungen in Form von unterschiedlichen Motorisierungen angeboten. Da jedoch keine Individualisierung in der Massenfertigung für die Strukturbauteile erfolgen kann, muss die Auslegung der einzelnen Strukturbauteile hinsichtlich ihrer mechanischen Belastung sich am jeweils stärksten Fahrzeugmodell orientieren. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass für die schwächer motorisierten Fahrzeuge Strukturbauteile mit zu hohem mechanischen Stabilitätsgrad und damit unnötig hohem Gewicht zur Verfügung gestellt werden. Die Individualisierung wäre nur durch hohe Kosten mit dem bereits beschriebenen hohen zusätzlichen Werkzeugaufwand erreichbar.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine individualisierbare mechanische Verstärkung zu erzielen.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Strukturbauteil mit den Merkmalen des Anspruches 8. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil und jeweils umgekehrt, sodass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der Herstellung eines Strukturbauteils eines Fahrzeuges und weist die folgenden Schritte auf:
- – Erzeugen eines Grundkörpers durch konventionelle ur- und/oder umformende Fertigungsverfahren, wie Gussverfahren, Schmiedeverfahren, Strangpressen, o. ä,
- – Erzeugen zumindest einer Verstärkungsstruktur zur mechanischen Verstärkung des Grundkörpers auf der Oberfläche des Grundkörpers mittels Pulverauftragsschweißen,
- – Abkühlen der zumindest einen Verstärkungsstruktur.
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Erfindungsgemäß kann nun der Grundkörper in bekannter Weise im Gussverfahren hergestellt werden. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Massenproduktion, sodass für ein und dieselbe Fahrzeugreihe mit unterschiedlichen Belastungen und Anforderungen hinsichtlich Festigkeiten, Zähigkeiten und/oder Motorisierungen eine einzige Gießform für die Herstellung des Grundkörpers eingesetzt werden kann. Für die unterschiedlichen Ausführungsvarianten des Fahrzeuges z. B. dessen unterschiedliche Motorisierungsgrade, kann nun eine Individualisierung mit Hilfe der Verstärkungsstruktur erfolgen. Diese wird mit Hilfe einer Pulverauftragsschweißung auf der Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht. Die Verstärkung des Grundkörpers in mechanischer Hinsicht erfolgt dabei vorzugsweise auf zwei unterschiedliche Weisen. In einem ersten Schritt wird bereits durch die dreidimensionale Kontur und Erstreckung der Verstärkungsstruktur eine Veränderung des Strukturkörpers hinsichtlich seiner geometrischen Erstreckung erzielt. Mit anderen Worten dient die Verstärkungsstruktur, z. B. ausgebildet als Verstärkungs- oder Versteifungsrippe, einer geometrischen mechanischen Verstärkung des Strukturbauteils. Darüber hinaus kann jedoch auch durch die Materialwahl der Verstärkungsstruktur eine Versteifung zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise wird durch das Pulverauftragsschweißen und eine entsprechende Materialwahl eine besonders zähe und steife Ausführung der Verstärkungsstruktur denkbar.
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Vor der Erzeugung einer Verstärkungsstruktur zur mechanischen Verstärkung des Grundkörpers auf der Oberfläche des Grundkörpers mittels Pulverauftragsschweißen kann optional eine Vorbehandlung der Oberfläche erfolgen. Ebenso kann nach der Erzeugung der Verstärkungsstruktur auf der Oberfläche des Grundkörpers mittels Pulverauftragsschweißen optional eine Nachbehandlung, wie zum Beispiel ein Spanen, eine thermische Behandlung, o. ä. erfolgen.
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So kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ein entsprechender Grundkörper des Strukturbauteils an dem geringsten mechanischen Belastungsfall für das entsprechende Fahrzeug ausgelegt werden. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren, bei welchem die stärksten Festigkeiten, Zähigkeiten und/oder Motorisierungen der Fahrzeugvarianten der Auslegung zugrunde gelegt werden musste, wird hier nun der entgegengesetzte Fall möglich. Dies führt dazu, dass der Grundköper die leichtest mögliche Variante dieses Grundkörpers und damit des Strukturkörpers darstellt. Wird für Stärke oder Motorisierungen oder Einsatzzwecke mit erhöhten mechanischen erwartbaren Belastungen eine Verstärkung notwendig, so wird diese durch die Verstärkungsstruktur abgedeckt. Somit entsteht eine Individualisierbarkeit für die Herstellung des Strukturbauteils, welches sich nur im geringen Maße auf die tatsächlichen Kosten auswirkt. Das Auftragsschweißen ist in Form des Pulverauftragsschweißens eine besonders kostengünstige und einfache Möglichkeit die Verstärkungsstruktur zu erzielen. Insbesondere im Vergleich zu der sonst notwendigen Herstellung neuer Werkzeughälften für entsprechende alternative Gussverfahren kann hier in kostengünstiger Weise eine Individualisierbarkeit erzielt werden. Die Durchführung des Pulverauftragsschweißens erfolgt vorzugsweise robotisch, sodass für die Form der Verstärkungsstruktur im Wesentlichen keinerlei geometrische Grenzen gesetzt werden müssen. So können einfache Rippenstrukturen bis hin zu organischen Freihandformen die Verstärkungsstruktur ausbilden.
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Insbesondere wird ein erfindungsgemäßes Verfahren Verwendung finden für metallische Werkstoffe. Beispielsweise können für den Grundkörper und/oder die Verstärkungsstruktur Aluminium und/oder Aluminiumlegierungen eingesetzt werden.
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Ein Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine Verstärkungsstruktur als individuelle Verstärkungsstruktur erzeugt wird. Die Individualisierbarkeit kann dabei erfindungsgemäß bis auf eine Losgröße von einem einzigen Stück des Strukturkörpers reduziert werden. Mit anderen Worten wird für die Individualisierbarkeit ein Strukturbauteil vollständig als eigenständiges und einzigartiges Strukturbauteil möglich. Auch Kleinserien für Fahrzeuge werden auf diese Weise möglich und können auf Massenbauteilen anderer Baureihen aufbauen. Die Individualisierbarkeit bezieht sich hier insbesondere auf die mechanische Verstärkungswirkung auf den Grundkörper. Die Variation für die Individualisierung ist insbesondere ausschließlich die entsprechende Programmänderung in der Ansteuerung des Schweißroboters. Eine Werkzeugänderung, wie sie bei bekannten Verfahren notwendig war, und die damit einhergehenden Kosten sind nun nicht mehr notwendig.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine Verstärkungsstruktur eine geometrische Erstreckung aufweist, welche wenigstens abschnittsweise entlang einer zu erwartenden mechanischen Belastung des Strukturbauteils verläuft. Erfindungsgemäß wird vorab vorzugsweise eine Simulation (z. B. FEM-Analyse oder andere Simulationsmöglichkeiten) durchgeführt, mit welcher Belastung im Einsatz das Strukturbauteil zu rechnen hat. Diese Analysen erlauben es, Spannungsverläufe innerhalb des Strukturbauteils vorherzusehen bzw. vorzugeben, welche nun explizit durch eine individualisierte Anbringung der Verstärkungsstruktur abgedeckt werden können. Da sich die mechanischen Belastungen und die damit die Ergebnisse der Simulation von dem jeweiligen Einsatzzweck des Strukturbauteils, also insbesondere der jeweiligen Variante des Fahrzeuges, unterscheiden, entstehen durch den Verlauf entlang der zu erwartenden mechanischen Belastungen automatisch individualisierte Verstärkungsstrukturen. Die jeweilige Struktur kann dabei durch die einfache und kostengünstige Herstellmöglichkeit mit Hilfe des Pulverauftragsschweißens im Wesentlichen jede beliebige freie geometrische Form aufweisen.
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Ein weiterer Vorteil ist erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für das Erzeugen der Verstärkungsstruktur das gleiche Material oder die gleiche Materialbasis wie für den Grundkörper verwendet wird. Damit wird insbesondere hinsichtlich der Wärmeausdehnungskoeffizienten ein großer Vorteil erzielt. So wird bei Ausdehnung des fertigen Strukturbauteils unter Wärmebeeinflussung nur ein geringer bzw. überhaupt kein Versatz zwischen Verstärkungsstruktur und Grundkörper mehr erfolgen. Dies reduziert das Auftreten von Temperaturspannungen im fertigen Strukturbauteil. Insbesondere handelt es sich bei den Materialien um Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung. Durch die Verwendung des Pulverauftragsschweißens kann darüber hinaus eine problemlose Mischung unterschiedlicher Pulvermaterialien Verwendung finden, um in definierter Weise eine Anpassung an die gewünschten mechanischen Stabilisierungserfordernisse der Verstärkungsstruktur zu erzielen. Es ist aber auch möglich, dass andersartige Materialien, z. B. hybride Werkstoffverbindung, für das Erzeugen der Verstärkungsstruktur verwendet werden. Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Schritt des Abkühlens mit einer Abkühlrate durchgeführt wird, welche zur mechanischen Versteifung des Materials der Verstärkungsstruktur beiträgt. Darunter ist insbesondere eine schnelle Abkühlrate im Vergleich zum Abkühlen des Gussbauteils des Grundkörpers zu verstehen. Durch das schnelle Abkühlen wird es möglich, eine besonders feinkörnige Kristallstruktur der Verstärkungsstruktur zur Verfügung zu stellen. Damit kann im Vergleich zum Gussbauteil als Grundkörper die Verstärkungsstruktur eine zähere und/oder steifere Eigenschaft aufweisen. Die angebrachte Rippe hat dabei vorzugsweise nur einen geringen bzw. keinen Einfluss auf das Material des Grundkörpers. Ein weiterer Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren beim Erzeugen des Grundkörpers auf dessen Oberfläche ein Verstärkungsabschnitt, insbesondere in nutförmiger Weise, ausgebildet wird für die wenigstens abschnittsweise Aufnahme der zumindest einen Verstärkungsstruktur. Dieser Verstärkungsabschnitt dient dazu in geometrischer Weise, den tatsächlichen Verlauf der Verstärkungsstruktur nachzubilden. Dieser erlaubt es z. B. nachträglich eine Qualitätskontrolle einfacher durchzuführen, da eine fehlende Überlappung zwischen Verstärkungsabschnitt und Verstärkungsstruktur ein fehlerhaftes Aufbringen dieser Verstärkungsstruktur optisch eindeutig, schnell und einfach anzeigt. Darüber hinaus können die Seitenwände einer solchen nutartigen Ausbildung des Verstärkungsabschnittes dazu führen, dass in kostengünstiger und einfacher Weise eine Stabilisierung des eingebrachten Pulvers und damit der erzeugten Schweißnaht erfolgt. Darüber hinaus erfolgt die Ausbildung einer größeren Kontaktfläche zwischen dem Verstärkungsabschnitt und der Verstärkungsstruktur, sodass durch diesen teilweisen Formschluss eine verbesserte Kraftübertragung zwischen Verstärkungsstruktur und Grundkörper möglich wird. Eine Vorbereitung für das Auftragsschweißen kann auf diese Weise vorzugsweise gänzlich unterbleiben.
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Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren mit diesem ein Strukturbauteil für hochbelastete Anwendungen, wie beispielsweise das Fahrwerk oder Karosserie-, Motor- und Interieurbauteile, eines Fahrzeugs hergestellt wird. Bei dem Fahrwerk von Fahrzeugen handelt es sich um eines der stärksten belasteten Bauteile des Fahrzeuges. Die Strukturbauteile, welche zum Fahrwerk des Fahrzeuges zusammengesetzt werden, müssen diesen hohen mechanischen Belastungen standhalten können. Gleichzeitig unterliegt das Fahrwerk großen Unterschieden mit Bezug auf die jeweils gewählte Motorisierungsvariante des Fahrzeuges. Somit bringt die beschriebene Individualisierbarkeit insbesondere beim Einsatz für Fahrwerke große Vorteile mit sich.
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Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Strukturbauteil für ein Fahrzeug, aufweisend einen Grundkörper, beispielsweise aus Gussmaterial oder Schmiedematerial, und zumindest eine Verstärkungsstruktur zur mechanischen Verstärkung des Grundkörpers auf der Oberfläche des Grundkörpers. Ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil zeichnet sich dadurch aus, dass die zumindest eine Verstärkungsstruktur durch Pulverauftragsschweißen aufgebracht ist. Bevorzugt ist dieses Strukturbauteil durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils,
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2 ein erster Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 die Herstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Strukturbauteils,
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4 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils und
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5 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils.
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In 1 ist schematisch ein Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil 10 dargestellt. Dieses ist hier mit einem balkenförmigen Grundkörper 20 versehen, auf dessen Oberfläche 22 hier drei Verstärkungsstrukturen 30 durch Pulverauftragsschweißen aufgeschweißt sind. Hier ist gut zu erkennen, dass auch eine lokale mechanische Verstärkung mit Hilfe der Verstärkungsstrukturen 30 möglich ist.
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Die 2 und 3 zeigen zwei Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach dem Herstellen in einem Gießverfahren des Grundkörpers 20 wird an diesem automatisch in der Oberfläche 22 eine Nut als Verstärkungsabschnitt 24 ausgebildet. Selbstverständlich kann dieser nutförmige Verstärkungsabschnitt 24 auch nachträglich durch spanende Bearbeitung, z. B. durch einen Frässchritt, hergestellt werden. Anschließend konnte durch Pulverauftragsschweißen in dieser Nut als Verstärkungsabschnitt 24 die Verstärkungsstruktur 30 eingebracht werden. Wie in dem teilweisen Querschnitt gut zu erkennen ist, erfolgt ein Formschluss bzw. ein teilweiser Formschluss, welcher die zur Verfügung stehende Übertragungsfläche zwischen Verstärkungsstruktur 30 und Grundkörper 20 vergrößert. Darüber hinaus wird über eine definierte schnelle Abkühlrate der Verstärkungsstruktur 30 eine verbesserte kristalline feine Struktur zur Verfügung stellt, welche eine zähe bzw. steife Ausführung hinsichtlich der mechanischen Belastung für die Verstärkungsstruktur 30 erzielt.
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Die 4 und 5 zeigen in einer Draufsicht je eine weitere Ausführungsform des Strukturbauteils 10 und unterschiedliche geometrische Erstreckungen der Verstärkungsstrukturen 30. Die geometrischen Erstreckungen orientieren sich dabei vorzugsweise an einer vorab simulierten Belastungssituation, welche für das Strukturbauteil 10 im Einsatz zu erwarten ist.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Strukturbauteil
- 20
- Grundkörper
- 22
- Oberfläche
- 24
- Verstärkungsabschnitt
- 30
- Verstärkungsstruktur
