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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugbauteil nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
WO 2015/175892 A1 beschrieben, ein als Space Frame ausgebildeter Fahrzeugrahmen bekannt, dessen Rohre durch Verbindungsstücke miteinander verbunden sind, die mittels 3D-Druck hergestellt sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Fahrzeugbauteil anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeugbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Fahrzeugbauteil umfasst mittels 3D-Druck hergestellte Verbindungsstücke, auch als Knoten oder Knotenelemente bezeichnet, und mittels dieser Verbindungsstücke miteinander verbundene Bauteilkomponenten.
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Erfindungsgemäß umfasst das Fahrzeugbauteil mindestens ein inneres Verbindungsstück, welches ausschließlich mehrere Bauteilkomponenten miteinander verbindet, und mindestens ein äußeres Verbindungsstück, welches mehrere Bauteilkomponenten miteinander verbindet und zudem zumindest ein Verbindungselement zum Verbinden des Fahrzeugbauteils mit mindestens einem anderen Fahrzeugbauteil, insbesondere mit einem Fahrzeugkarosserieteil, aufweist.
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Zweckmäßigerweise weist das Fahrzeugbauteil mehrere innere und/oder mehrere äußere Verbindungsstücke auf.
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Eine zweckmäßigerweise formschlüssige und/oder kraftschlüssige Anbindung des Fahrzeugbauteils an ein oder mehrere andere Fahrzeugbauteile, beispielsweise eine Einbindung des Fahrzeugbauteils in die Fahrzeugkarosserie, erfolgt ausschließlich über das äußere Verbindungsstück oder zweckmäßigerweise über die Mehrzahl äußerer Verbindungsstücke. Hierzu ist das zumindest eine Verbindungselement des jeweiligen äußeren Verbindungsstücks beispielsweise als zumindest ein Durchgangsloch für eine Verschraubung ausgebildet oder das Verbindungselement weist zumindest ein solches auf. Es können auch mehrere derartige Verbindungslöcher vorgesehen sein.
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Das Fahrzeugbauteil ist vorzugsweise als ein Strukturbauteil einer solchen Fahrzeugkarosserie ausgebildet. Die mittels der Verbindungsstücke miteinander verbundenen Bauteilkomponenten sind zweckmäßigerweise rohrförmig ausgebildet. Vorteilhafterweise sind sie als Halbzeuge ausgebildet. D. h. besonders vorteilhaft sind sie als rohrförmige Halbzeuge ausgebildet. Das Fahrzeugbauteil weist zweckmäßigerweise zwei äußere Verbindungsstücke in entlang seiner Längsachse gegenüberliegenden Endbereichen auf.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeugbauteil ist zweckmäßigerweise in eine Gesamtstruktur, beispielsweise in eine Fahrzeugkarosserie, eingebunden oder einzubinden, wobei dann zweckmäßigerweise nur die äußeren Verbindungsstücke der Verbindung mit anderen Bestandteilen der Gesamtstruktur, beispielsweise der restlichen Fahrzeugkarosserie, dienen, während die inneren Verbindungsstücke und die miteinander verbundenen Bauteilkomponenten keine direkte feste Verbindung zu dieser Gesamtstruktur aufweisen, aber beispielsweise an dieser anliegen können.
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Das Fahrzeugbauteil ist zweckmäßigerweise als ein Einzelbauteil einer Fahrzeugkarosserie ausgebildet, beispielsweise als ein Träger, eine Strebe, ein Chassisteil oder eine Bodenstruktur, wobei dieses Einzelbauteil beispielsweise in eine Karosserierahmenstruktur einsetzbar oder mit dieser verbindbar bzw. eingesetzt und mit dieser verbunden ist. Somit handelt es sich bei dem Fahrzeugbauteil zweckmäßigerweise nicht um eine aus dem Stand der Technik bekannte Space-Frame-Fahrzeugrahmenstruktur.
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Mittels 3D-Druck hergestellte Fahrzeugbauteile, insbesondere Strukturbauteile, sind konstruktiv derart ausgelegt, dass sie hinsichtlich eines minimalen Materialvolumens optimiert sind, um möglichst geringe Druckkosten zu erreichen, jedoch vorgegebene Belastbarkeitsanforderungen erfüllen. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung, bei welcher nicht das gesamte Fahrzeugbauteil mittels 3D-Druck hergestellt wird, sondern nur die Verbindungsstücke, und gezielt andere Bauteilkomponenten, insbesondere Halbzeuge, eingesetzt werden, welche mittels der Verbindungsstücke zum Fahrzeugbauteil verbunden werden, wird eine weitere Reduzierung der Druckkosten erreicht. Ermöglicht wird dieser Einsatz von Halbzeugen durch eine entsprechende Ausgestaltung der Verbindungsstücke, welche das Verbinden der Verbindungsstücke mit den anderen Bauteilkomponenten, welche insbesondere als Halbzeuge ausgebildet sind, ermöglicht. Diese Ausgestaltung der Verbindungsstücke wird nur mittels 3D-Druck erreicht. Dadurch werden stabile Verbindungen zwischen dem jeweiligen Verbindungsstück und der insbesondere als Halbzeug ausgebildeten jeweiligen Bauteilkomponente ermöglicht.
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Somit werden durch die erfindungsgemäße Lösung, insbesondere durch die Verwendung von vorteilhafterweise als Halbzeuge ausgebildeten Bauteilkomponenten, die Möglichkeiten des 3D-Drucks erweitert. Zudem werden dadurch Druckkosten und somit Bauteilkosten des Fahrzeugbauteils reduziert. Als mittels der Verbindungsstücke zu verbindende Bauteilkomponenten können insbesondere kostengünstige Standardhalbzeuge verwendet werden. Die Verbindungsstücke können durch die Ausbildung mittels 3D-Druck hinsichtlich eines jeweils vorgesehenen Fügeverfahrens, mittels welchem sie mit den Bauteilkomponenten verbunden werden sollen, optimiert werden. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung sind beispielsweise auch Multi-Material-Konstruktionen aus unterschiedlichen Werkstoffen herstellbar, um dadurch zum Beispiel Bauteileigenschaften des Fahrzeugbauteils zu verbessern, beispielsweise eine Gewichtsreduzierung und/oder eine Optimierung hinsichtlich einer Wärmeausdehnung und/oder Steifigkeit und/oder geringere Kosten und/oder eine bessere Korrosionsbeständigkeit zu erreichen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Ausführungsform eines Fahrzeugbauteils,
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2 schematisch eine Ausführungsform eines im Vergleich zu 1 wesentlich verbesserten Fahrzeugbauteils,
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3 schematisch eine perspektivische Darstellung beispielhafter Bauteilkomponenten,
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4 schematisch eine Darstellung beispielhafter Querschnittsformen Bauteilkomponenten, und
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5 schematisch eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines im Vergleich zu 1 wesentlich verbesserten Fahrzeugbauteils in einem Verbindungsbereich eines Verbindungsstücks und einer Bauteilkomponente.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsformen eines Fahrzeugbauteils 1. Dabei zeigt 2 ein gegenüber dem Fahrzeugbauteil 1 gemäß 1 wesentlich verbessertes Fahrzeugbauteil 1.
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Die beiden Fahrzeugbauteile 1 weisen jeweils topologisch und/oder bionisch optimierte Strukturen auf, um vorgegebene Belastungsanforderungen zu erfüllen und dennoch ein möglichst geringes Materialvolumen zu erreichen, da auf diese Weise ein Gewicht des Fahrzeugbauteils 1 reduziert wird und zudem eine Kostenreduzierung erreicht wird. Beides ist im Fahrzeugbereich von großer Bedeutung.
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Das in 1 dargestellte Fahrzeugbauteil 1 ist beispielsweise vollständig mittels 3D-Druck hergestellt. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass Druckkosten des 3D-Drucks relativ hoch sind, so dass die Herstellung des gesamten Fahrzeugbauteils 1 mittels 3D-Druck entsprechend kostenintensiv ist. Des Weiteren sind Bauteilgrößen mittels 3D-Druck hergestellter Fahrzeugbauteile 1 aufgrund verwendeter 3D-Druckvorrichtungen begrenzt, so dass eine Ausbildung insbesondere größerer Fahrzeugbauteile 1 vollständig mittels 3D-Druck nicht möglich ist.
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Um diese Probleme zu lösen, ist vorgesehen, nur Teilbereiche des Fahrzeugbauteils 1, genauer gesagt Verbindungsstücke 2, 3, auch als Knoten oder Knotenelemente bezeichnet, mittels 3D-Druck herzustellen und für die restlichen Teilbereiche des Fahrzeugbauteils 1 andere Bauteilkomponenten 4, insbesondere Halbzeuge, zu verwenden, welche mittels der Verbindungsstücke 2, 3 miteinander verbunden werden. Eine beispielhafte Ausführungsform eines auf diese Weise hergestellten Fahrzeugbauteils 1 ist in 2 gezeigt.
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Um dies zu ermöglichen, ist, wenn erforderlich, die topologische und/oder bionische Struktur des Fahrzeugbauteils 1 abzuändern, um den Einsatz insbesondere von Halbzeugen als Bauteilkomponenten 4 und deren Verbindung mittels der Verbindungsstücke 2, 3 zu ermöglichen. Die vorzugsweise als Halbzeug ausgebildeten Bauteilkomponenten 4 können beispielsweise aus Kohlenstofffasern, Aluminium, Stahl, Kunststoff und/oder Magnesium ausgebildet sein. Vorzugsweise handelt es sich bei derartigen Halbzeugen um handelsübliche und somit kostengünstige Meterware. 3 zeigt beispielhaft mögliche als Bauteilkomponenten 4 geeignete Halbzeuge. Diese Bauteilkomponenten 4 sind zweckmäßigerweise jeweils als ein rohrförmiges Halbzeug ausgebildet. 4 zeigt beispielhaft eine Auswahl möglicher Querschnitte derartiger rohrförmiger Halbzeuge. Eine Auswahl eines jeweiligen Materials und/oder eines jeweiligen Querschnitts und/oder jeweiliger Abmessungen erfolgt beispielsweise entsprechend jeweiligen Anforderungen an das Fahrzeugbauteil 1.
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Geeignete Halbzeuge werden zweckmäßigerweise hinsichtlich eines jeweiligen Lastfalls ausgewählt. Die Verbindungsbereiche zwischen den Verbindungsstücken 2, 3 und den als Halbzeug ausgebildeten Bauteilkomponenten 4 sind ebenfalls derart auszulegen, dass sie vorgegebenen Lasten standhalten und zudem einen kostengünstigen und stabilen Zusammenbau zum Fahrzeugbauteil 1 ermöglichen. Hierfür bietet der 3D-Druck weitreichende Möglichkeiten, um insbesondere einen Verbindungsbereich am mittels 3D-Druck hergestellten Verbindungsstück 2, 3 zur als Halbzeug ausgebildeten jeweiligen Bauteilkomponente 4 insbesondere hinsichtlich eines jeweils vorgesehenen Fügeverfahrens zu optimieren, wie in 5 anhand einer Schnittdarstellung in einem solchen Übergangsbereich beispielhaft gezeigt ist.
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Zur Herstellung der Verbindungsstücke 2, 3 mittels 3D-Druck können alle für den 3D-Druck verfügbaren Werkstoffe verwendet werden, beispielsweise eine Kobalt-Chrom-Legierung (COCr), eine Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierung (AlSi10Mg), eine Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung (Ti6Al4V), eine Nickel-Kobalt-Molybdän-Titan-Legierung (X3NiOOMoTi18-9-5), eine Chrom-Nickel-Molybdän-Legierung (X2CrNiMol7-12-2) oder Legierungen mit der Hauptkomponente Nickel und der wichtigsten Nebenkomponente Chrom, welche zusätzlich Eisen, Molybdän, Niob, Kobalt, Mangan, Kupfer, Aluminium, Titan, Silizium, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor und/oder Bor enthalten können. Eine Auswahl erfolgt beispielsweise entsprechend jeweiligen Anforderungen an das Fahrzeugbauteil 1. Eine Kombination von Verbindungsstücken 2, 3 und Bauteilkomponenten 4 ist im Wesentlichen unabhängig von einem jeweils verwendeten Material für die Verbindungsstücke 2, 3 und Bauteilkomponenten 4. Die jeweilige Kombination wird beispielsweise in Abhängigkeit von einer jeweiligen Wärmeausdehnung und Stabilität und den jeweiligen Anforderungen an das Fahrzeugbauteil 1 ausgewählt.
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Als Fügeverfahren kommen stoffschlüssige, formschlüssige und/oder kraftschlüssige Fügeverfahren in Betracht, zum Beispiel Kleben, Verschrauben, Klemmen, Quetschen und/oder Schrumpfen. Es können an den Verbindungsstücken 2, 3 beispielsweise raue Klebeflächen, Haltenasen, Widerhaken, Hinterschnitte, Gewinde und/oder Bohrungen mittels des 3D-Drucks ausgebildet werden, insbesondere auch an schwer zugänglichen Stellen, an welchen dies mit konventionellen Herstellmethoden, insbesondere durch eine Nachbearbeitung des Verbindungsstücks 2, 3, nicht oder nur sehr aufwändig möglich wäre, denn oft ist eine Zugänglichkeit für konventionelle Bearbeitungswerkzeuge nicht oder nur mit einem zu großen technischen Aufwand möglich.
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Im Beispiel gemäß 5 ist der Verbindungsbereich des Verbindungsstücks 2, 3 beispielsweise rund ausgebildet und weist in Axialrichtung eine ringförmige Nut 5 auf, in welche die als rohrförmiges Halbzeug ausgebildete Bauteilkomponente 4 einzusetzen ist. Durch die ringförmige Nut 5 weist der Verbindungsbereich einen Kern 6 mit einem runden Querschnitt auf, welcher durch die Nut 5 von einem den Kern 6 umschließenden äußeren Mantel 7 getrennt ist. Dabei ist im dargestellten Beispiel der Kern 6 länger als der Mantel 7, d. h. eine Kernstirnfläche 8 überragt eine Mantelstirnfläche 9. Die in die Nut 5 eingeschobene und somit auf den Kern 6 aufgeschobene und in den Mantel 7 eingeschobene Bauteilkomponente 4 ist somit durch den dann in deren Innerem angeordneten Kern 6 und durch den Mantel 7, welcher die Bauteilkomponente 4 außenumfänglich umschließt, sicher und stabil gehalten.
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Des Weiteren ist die Bauteilkomponente 4 beispielsweise zusätzlich stoffschlüssig, formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Verbindungsstück 2, 3 verbunden, beispielsweise verklebt, wobei ein hierfür erforderlicher Klebstoff auf alle oder nur einige Anlageflächen aufgebracht sein kann, an welchen sich das Verbindungsstück 2, 3 und die Bauteilkomponente 4 berühren, d. h. hier insbesondere auf eine Kernseitenfläche und/oder auf eine Mantelinnenfläche und/oder auf einem Nutboden und/oder auf hierzu korrespondierende Bereiche der Bauteilkomponente 4.
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Auf die oben beschriebene Weise können als Fahrzeugbauteil 1 grundsätzlich alle Fahrzeugstrukturbauteile hergestellt werden, die statisch und/oder dynamisch belastet werden und somit in Form eines Tragwerks ausgebildet werden können. Derartige Fahrzeugbauteile 1 sind beispielsweise Rohbauhalter, Fahrwerkskomponenten, zum Beispiel Querlenker, Dornlager, Stabilisatoren, oder Fahrzeugrahmen und insbesondere einzelne Bestandteile von Fahrzeugrahmen (Space Frame, Gitterrohrrahmen, Leiterrahmen).
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Der besondere Vorteil der beschriebenen Lösung ist eine deutliche Reduzierung eines mittels 3D-Druck zu druckenden Volumens, da durch die Verwendung der insbesondere als Halbzeuge ausgebildeten Bauteilkomponenten 4 lediglich die Verbindungsstücke 2, 3 zu drucken sind. Dadurch wird insbesondere eine Kostenreduzierung erreicht. Des Weiteren bietet die beschriebene Lösung und insbesondere die dadurch ermöglichte Multi-Material-Kombination die Möglichkeit, sehr große Fahrzeugbauteile 1 herzustellen, die aufgrund ihrer Größe in keinen 3D-Drucker passen und daher nicht vollständig mittels eines 3D-Druckers hergestellt werden können. Da lediglich die vergleichsweise kleinen Verbindungsstücke 2, 3 gedruckt werden müssen, können hierfür handelsübliche 3D-Druck-Bauräume verwendet werden.
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Wie am Beispiel gemäß 2 gezeigt, umfasst das Fahrzeugbauteil 1 zweckmäßigerweise mindestens ein inneres Verbindungsstück 2, welches ausschließlich mehrere Bauteilkomponenten 4 miteinander verbindet, und mindestens ein äußeres Verbindungsstück 3, welches mehrere Bauteilkomponenten 4 miteinander verbindet und zudem jeweils zumindest ein Verbindungselement 10 zum Verbinden des Fahrzeugbauteils 1 mit mindestens einem anderen Fahrzeugbauteil 1, insbesondere mit einem Fahrzeugkarosserieteil, aufweist. Im dargestellten Beispiel sind drei innere Verbindungsstücke 2 und zwei äußere Verbindungsstücke 3 vorhanden. Dabei weist im dargestellten Beispiel eines der äußeren Verbindungsstücke 3 ein Verbindungselement 10 und das andere äußere Verbindungsstück 3 vier Verbindungselemente 10 auf.
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Eine zweckmäßigerweise formschlüssige und/oder kraftschlüssige Anbindung des Fahrzeugbauteils 1 an ein oder mehrere andere Fahrzeugbauteile, beispielsweise eine Einbindung des Fahrzeugbauteils 1 in eine Fahrzeugkarosserie, erfolgt ausschließlich über das äußere Verbindungsstück 3 oder im hier dargestellten Beispiel über die Mehrzahl äußerer Verbindungsstücke 3. Hierzu ist das jeweilige Verbindungselement 10 im dargestellten Beispiel als Durchgangsloch für eine Verschraubung ausgebildet.
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Das Fahrzeugbauteil 1 ist, wie bereits erwähnt, vorzugsweise als ein Strukturbauteil einer solchen Fahrzeugkarosserie ausgebildet. Wie in 2 gezeigt, weist das Fahrzeugbauteil 1 zweckmäßigerweise zwei äußere Verbindungsstücke 3 in entlang seiner Längsachse gegenüberliegenden Endbereichen auf.
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Das Fahrzeugbauteil 1 ist zweckmäßigerweise in eine Gesamtstruktur, beispielsweise in eine Fahrzeugkarosserie, einzubinden, wobei dann zweckmäßigerweise nur die äußeren Verbindungsstücke 3 der Verbindung mit anderen Bestandteilen der Gesamtstruktur, beispielsweise der restlichen Fahrzeugkarosserie, dienen, während die inneren Verbindungsstücke 2 und die miteinander verbundenen Bauteilkomponenten 4 keine direkte feste Verbindung zu dieser Gesamtstruktur aufweisen, aber beispielsweise an dieser anliegen können.
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Das Fahrzeugbauteil 1 ist zweckmäßigerweise als ein Einzelbauteil einer Fahrzeugkarosserie ausgebildet, beispielsweise als ein Träger, eine Strebe, ein Chassisteil oder eine Bodenstruktur, wobei dieses Einzelbauteil beispielsweise in eine Karosserierahmenstruktur einsetzbar oder mit dieser verbindbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugbauteil
- 2
- inneres Verbindungsstück
- 3
- äußeres Verbindungsstück
- 4
- Bauteilkomponente
- 5
- Nut
- 6
- Kern
- 7
- Mantel
- 8
- Kernstirnfläche
- 9
- Mantelstirnfläche
- 10
- Verbindungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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