DE102015012139A1

DE102015012139A1 - Hybridbauteil und korrespondierendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102015012139A1
Application number: DE102015012139.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Haffner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2017-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridbauteil (10) mit mindestens zwei Bereichen (12, 14), wobei eine erster Bereich (12) aus einem ersten Material (A) besteht, und wobei ein zweiter Bereich (14) aus einem zweiten Material (B) besteht, und korrespondierendes Herstellungsverfahren für ein solches Hybridbauteil (10). Erfindungsgemäß ist zwischen dem ersten und zweiten Bereich (12, 14) ein Übergangsbereich (16) ausgebildet, welcher eine homogene dreidimensionale Verzahnung zwischen dem ersten Material (A) und dem zweiten Material (B) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybridbauteil gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1 und ein korrespondierendes Herstellungsverfahren für ein solches Hybridbauteil gemäß der Gattung des Patentanspruchs 9.
In hybriden Karosseriekonzepten soll das richtige Material an der richtigen Stelle platziert werden, um Anforderungen an die Karosserie in Bezug auf Steifigkeit und Gewicht zu erfüllen. Oftmals ergeben sich Probleme bezüglich der Verbindungstechnik, die viele Materialkopplungen schwierig gestalten und sie zum Teil sogar verhindern. Dies gilt zum Beispiel insbesondere für Magnesiumbauteile, welche in eine Aluminiumumgebung eingebunden werden sollen. Das Verbinden von Flanschen aus diesen unterschiedlichen Materialien stellt hohe Anforderungen an die Verbindungstechnik.
Aus der CH 316218 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen von Metallblechüberzügen auf Grundkörpern bekannt. Beim Plattieren von Edelstahl auf Stahl werden die gemeinsam unter Luftabschluss erwärmten Platinen der Stahlunterlage und des Plattierungswerkstoffes auf eine möglichst hohe Temperatur erhitzt und unter Ausübung eines hohen Druckes gleichzeitig zu einem Blech ausgewalzt. Hierdurch verschweißen die aufeinandergelegten Platinen fest miteinander und zwar wachsen gewissermaßen die Metalle ineinander, wodurch eine sehr innige Verzahnung bzw. Verwurzelung entsteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein einfach herzustellendes Hybridbauteil aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bereitzustellen, welches gut in eine vorgegebene Einbauumgebung eingepasst werden kann, und dessen Bereiche aus unterschiedlichen Materialien gut miteinander verbunden sind. Zudem soll ein korrespondierendes Herstellungsverfahren für ein solches Hybridbauteil angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Bereitstellung eines Hybridbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zu Herstellung eines Hybridbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Hybridbauteil aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bereitzustellen, welches gut in eine vorgegebene Einbauumgebung angepasst werden kann, und dessen Bereiche aus unterschiedlichen Materialien gut miteinander verbunden sind, ist zwischen einem ersten Bereich aus einem ersten Material und einem zweiten Bereich aus einem zweiten Material ein Übergangsbereich ausgebildet, welcher eine homogene dreidimensionale Verzahnung zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material aufweist. In vorteilhafter Weise kann dadurch eine dauerhaft homogene Verbindung zwischen den beiden Bereichen hergestellt werden. Dadurch können an den Bereichen verschiedene Materialeigenschaften realisiert werden, um das Bauteil optimal an eine vorgegebene Einbauumgebung und eine gewünschte Funktionalität anzupassen.
Des Weiteren wird ein Verfahren zu Herstellung eines Hybridbauteils mit mindestens zwei Bereichen vorgeschlagen. Hierbei baut ein 3D-Druckverfahren einen ersten Bereich schichtweise aus einem ersten Material und einen zweiten Bereich schichtweise aus einem zweiten Material auf. Erfindungsgemäß bringt das 3D-Druckverfahren in einem Übergangsbereich zwischen dem ersten und zweiten Bereich das erste Material und das zweite Material gleichzeitig schichtweise auf und erzeugt eine homogene dreidimensionale Verzahnung zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hybridbauteils kann die dreidimensionale Verzahnung beispielsweise als wurzelartige Verästelung des ersten Materials im zweiten Material ausgebildet werden. Alternativ kann die dreidimensionale Verzahnung als Verschlingung des ersten Materials mit dem zweiten Material ausgebildet werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hybridbauteils können das erste Material und das zweite Material unterschiedliche Materialeigenschaften in Bezug auf Steifigkeit und/oder Härte und/oder Duktilität aufweisen. Dadurch kann das Hybridbauteil optimal an die gewünschte Funktionalität angepasst werden. Das erste Material kann ein erstes Metall oder eine erste Metalllegierung und das zweite Material kann ein zweites Metall oder eine zweite Metalllegierung sein. So kann das erste Material bzw. der erste Bereich aus Magnesium und das zweite Material bzw. der zweite Bereich aus Aluminium bestehen. Hierbei kann das Magnesium im Übergangsbereich die wurzelartige Verästelung im Aluminium bzw. eine Verschlingung mit dem Aluminium ausbilden. Alternativ kann das erste Material eine hochfeste Aluminiumlegierung und das zweite Material eine hochduktile Aluminiumlegierung sein, um die unterschiedlichen Materialeigenschaften zur Verfügung zu stellen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hybridbauteils kann der zweite Bereich einen Befestigungsflansch für das Hybridbauteil ausbilden. Das bedeutet, dass das fertige Hybridbauteil aus Magnesium oder aus der hochfesten Aluminiumlegierung dann quasi angewachsene Befestigungsflansche aus Aluminium oder aus der hochduktilen Aluminiumlegierung aufweist, und mittels kostengünstigen Standardverbindungstechniken mit einer Grundstruktur aus Aluminium verbunden werden kann. Neben Aluminium und Magnesium können beliebige andere metallische Materialkombinationen auf diese Weise dargestellt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bringt während des 3D-Druchverfahrens eine erste Laservorrichtung das erste Material und eine zweite Laservorrichtung das zweite Material auf. Dadurch können mittels Lasertechnologie metallische Hybridbauteile auf Basis metallischer Pulver Schicht für Schicht aufgebaut werden. Die Geometrien dieser Hybridbauteile können nahezu beliebige Komplexitäten annehmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Hybridbauteils.
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Hybridbauteils.
Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, weisen die erfindungsgemäßen Hybridbauteile 10, 10A in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils zwei Bereiche 12, 12A, 14, 14A auf. Dabei besteht ein erster Bereich 12, 12A jeweils aus einem ersten Material A, und ein zweiter Bereich 14, 14A besteht jeweils aus einem zweiten Material B. Erfindungsgemäß ist zwischen dem ersten und zweiten Bereich 12, 12A, 14, 14A jeweils ein Übergangsbereich 16, 16A ausgebildet, welcher eine homogene dreidimensionale Verzahnung zwischen dem ersten Material A und dem zweiten Material B aufweist. Vorzugsweise weisen das erste Material A und das zweite Material B unterschiedliche Materialeigenschaften in Bezug auf Steifigkeit und/oder Härte und/oder Duktilität auf, um verschiedenen Funktionalitäten darstellen bzw. umsetzen zu können.
Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist die dreidimensionale Verzahnung im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel als wurzelartige Verästelung 12.1 des ersten Materials A im zweiten Material B ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Material A Magnesium und das zweite Material ist Aluminium B, wobei im Übergangsbereich 16 das Magnesium die wurzelartige Verästelung 12.1 im Aluminium ausbildet.
Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, ist die dreidimensionale Verzahnung im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel als Verschlingung 12.1A des ersten Materials A mit dem zweiten Material B ausgebildet. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel aus 1 ist das erste Material A im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel eine hochfeste Aluminiumlegierung und das zweite Material B ist eine hochduktile Aluminiumlegierung, wobei im Übergangsbereich 16 die hochfeste Aluminiumlegierung mit der hochduktilen Aluminiumlegierung verwoben ist, um die Verschlingung 12.1A auszubilden. Die dreidimensionale Verzahnung kann auch noch beliebige andere geeignete Formen aufweisen.
Zur Herstellung eines solchen Hybridbauteils 10 mit mindestens zwei Bereichen 12, 12A, 14, 14A kann ein 3D-Druckverfahren den ersten Bereich 12, 12A schichtweise aus einem ersten Material A und den zweiten Bereich 14, 14A schichtweise aus einem zweiten Material B aufbauen. Den Übergangsbereich 16, 16A zwischen dem ersten und zweiten Bereich 12, 12A, 14, 14A kann das 3D-Druckverfahren dadurch erzeugen, das das erste Material A und das zweite Material B gleichzeitig schichtweise aufgebracht werden und eine homogene dreidimensionale Verzahnung zwischen dem ersten Material A und dem zweiten Material B erzeugt wird.
Zu diesem Zweck kann beispielsweise während des 3D-Druchverfahrens eine erste Laservorrichtung das erste Material A und eine zweite Laservorrichtung das zweite Material B aufbringen. Mittels der Lasertechnologie kann das metallische Hybridbauteil 10, 10A auf Basis metallischer Pulver Schicht für Schicht aufgebaut werden, wobei die Geometrien des Hybridbauteils 10, 10A nahezu beliebige Komplexitäten annehmen kann.
Soll beispielsweise eine Federbeinaufnahme aus Magnesium in eine Aluminiumkarosserie integriert werden, so kann die Federbeinaufnahme als Hybridbauteil 10 mit dem 3D-Druckverfahren aus Magnesium als erstes Material A hergestellt werden. Die Befestigungsflansche der Federbeinaufnahme werden aus Aluminium als zweites Material B hergestellt. Der Übergang zwischen dem Magnesiumgrundmaterial als erster Bereich 12 auf einen Aluminiumflansch als zweiter Bereich 14 erfolgt im selben Druckprozess, indem verschiedene Laser die unterschiedlichen Materialien A, B gleichzeitig so aufbringen, das im Übergangsbereich 16 eine lokale dreidimensionale Verzahnung zwischen den unterschiedlichen Materialien A, B entsteht. Diese Verzahnung kann beliebig ausgeführt werden, zum Beispiel in Anlehnung an die Verwurzelung eines Baumes im Erdreich.
Das fertige Hybridbauteil aus Magnesium besitzt dann quasi angewachsene Flansche aus Aluminium, und kann mittels Standardverbindungstechnik mit der Aluminium Grundstruktur verbunden werden. Neben Aluminium und Magnesium sind auch beliebige andere metallische Materialkombinationen auf diese Weise darstellbar.
Bezugszeichenliste

10, 10A: Hybridbauteil
12, 12A: erster Bereich
12.1: Verästelung
12.1A: Verschlingung
14, 14A: zweiter Bereich
16, 16A: Übergangsbereich
A: erstes Material
B: zweites Material

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

CH 316218 [0003]

Claims

Hybridbauteil mit mindestens zwei Bereichen (12, 12A, 14, 14A), wobei ein erster Bereich (12, 12A) aus einem ersten Material (A) besteht, und wobei ein zweiter Bereich (14, 14A) aus einem zweiten Material (B) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und zweiten Bereich (12, 12A, 14, 14A) ein Übergangsbereich (16, 16A) ausgebildet ist, welcher eine homogene dreidimensionale Verzahnung zwischen dem ersten Material (A) und dem zweiten Material (B) aufweist.
Hybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Verzahnung als wurzelartige Verästelung (12.1) des ersten Materials (A) im zweiten Material (B) ausgebildet ist.
Hybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Verzahnung als Verschlingung (12.1A) des ersten Materials (A) mit dem zweiten Material (B) ausgebildet ist.
Hybridbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (A) und das zweite Material (B) unterschiedliche Materialeigenschaften in Bezug auf Steifigkeit und/oder Härte und/oder Duktilität aufweisen.
Hybridbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (A) ein erstes Metall oder eine erste Metalllegierung und das zweite Material (B) ein zweites Metall oder eine zweite Metalllegierung ist.
Hybridbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (A) Magnesium und das zweite Material Aluminium (B) ist.
Hybridbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (A) eine hochfeste Aluminiumlegierung und das zweite Material (B) eine hochduktile Aluminiumlegierung ist.
Hybridbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (14, 14A) einen Befestigungsflansch für das Hybridbauteil (10, 10A) ausbildet.
Verfahren zu Herstellung eines Hybridbauteils mit mindestens zwei Bereichen (12, 12A, 14, 14A), wobei ein 3D-Druckverfahren einen ersten Bereich (12, 12A) schichtweise aus einem ersten Material (A) und einen zweiten Bereich (14, 14A) schichtweise aus einem zweiten Material (B) aufbaut, dadurch gekennzeichnet, dass das 3D-Druckverfahren in einem Übergangsbereich (16, 16A) zwischen dem ersten und zweiten Bereich (12, 12A, 14, 14A) das erste Material (A) und das zweite Material (B) gleichzeitig schichtweise aufbringt und eine homogene dreidimensionale Verzahnung zwischen dem ersten Material (A) und dem zweiten Material (B) erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des 3D-Druchverfahrens eine erste Laservorrichtung das erste Material (A) und eine zweite Laservorrichtung das zweite Material (B) aufbringt.