DE102016211358A1

DE102016211358A1 - Gussbauteil sowie Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils

Info

Publication number: DE102016211358A1
Application number: DE102016211358.5A
Authority: DE
Inventors: Robert Cöppencastrop; Andreas Krause; Stefan Ziegelmeier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2017-12-28

Abstract

Gussbauteil, insbesondere aus einer Leichtmetalllegierung, umfassend zumindest ein Einlegeteil, wobei das Einlegeteil durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gussbauteil, insbesondere aus einer Leichtmetalllegierung, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils.
Um die Eigenschaften von Gussbauteilen zu beeinflussen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Einlegeelemente bzw. Einlegeteile vorzusehen, welche vor dem Gießen des Bauteils in die Gussform eingelegt werden. So offenbart beispielsweise die EP 1 048 378 A1 ein Verfahren zum Eingießen von Hohlkörpern in Eisengussbauteile, um deren Isolierwirkung zu erhöhen. Hierbei wird das Einlegeteil zunächst aus Blech vorgeformt, um den Hohlkörper vorzuformen. Bevor der Hohlkörper vollständig verschlossen wird, wird Luft abgepumpt, sodass sich ein gewisser Unterdruck bildet. Erst nach dem Abpumpen der Luft wird dann der Hohlkörper gasdicht verschlossen. Die DE 198 26 848 A1 betrifft, insbesondere aus Leichtmetalllegierungen gegossene, Werkstücke, beispielsweise für die Kraftfahrzeugindustrie, wie Leichtmetallräder. Als Einlegeteil kommt hier ein aus einem hitzebeständigen Werkstoff gefertigtes Material zum Einsatz, welches sich insbesondere durch ein geringeres spezifisches Gewicht gegenüber dem Gusswerkstoff auszeichnet. Die aus dem Stand der Technik bekannten Einleger/Einlegeteile bringen den Nachteil mit sich, dass diese nur sehr aufwändig herzustellen sind. Außerdem sind sie hinsichtlich ihrer möglichen geometrischen Freiheitsgrade äußerst eingeschränkt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gussbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile beseitigen und gleichzeitig kostengünstig und schnell einsetzbar sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Gussbauteil gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Erfindungsgemäß umfasst ein Gussbauteil, insbesondere aus einer Leichtmetalllegierung, wie beispielsweise einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung, zumindest ein Einlegeteil, wobei das Einlegeteil durch additive Fertigung hergestellt ist. Bei dem Gusswerkstoff kann es sich sowohl um einen metallischen als auch um einen nicht-metallischen Werkstoff, wie beispielsweise einen Kunststoffwerkstoff, handeln.
Das additive Fertigungsverfahren ist nicht auf einen bestimmten Typ bzw. ein bestimmtes Verfahren beschränkt. Grundsätzlich bringen additive Fertigungsverfahren den Vorteil mit sich, dass sich beliebige dreidimensionale Formen erzeugen lassen, mit nahezu uneingeschränkter geometrischer Auslegung. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch, dass die Fertigung direkt auf Basis von Datenmodellen aus formlosem (Flüssigkeiten, Pulver, etc.) oder formneutralem (band-/drahtförmig) Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse erfolgen kann. Obwohl es sich um ein urformendes Verfahren handelt, sind für ein konkretes Erzeugnis keine speziellen Werkzeuge erforderlich, wie beispielsweise Gussformen. Mögliche Verfahren, um einige Beispiele zu nennen, sind vorliegend beispielweise selektives Strahlschmelzen, Laserauftragsschweißen oder Binder-Jetting. Auch hinsichtlich des Einlegeteils gilt, dass dieses sowohl aus einem metallischen, als auch aus einem nicht-metallischen Werkstoff gefertigt sein kann. Im Allgemeinen eignen sich alle Werkstoffe, insbesondere metallische Legierungen, die gut schmelzbar sind.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Einlegeteil als Hohlkörper ausgebildet. Durch die Verwendung eines derart ausgebildeten Einlegeteils kann sehr effektiv das Gewicht des Gussbauteils reduziert werden. Außerdem ist es möglich, die thermischen Eigenschaften zu beeinflussen. Über die explizite Gestaltung des z. B. im Wesentlichen hohlkörperförmigen Einlegeteils können zudem die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften des Gussbauteils gezielt beeinflusst werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Einlegeteil zumindest eine Tasche und/oder zumindest eine Öffnung auf bzw. formt diese. Zusätzlich oder alternativ kann das Einlegeteil auch Vor- und/oder Rücksprünge und/oder Hinterschneidungen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Einlegeteil als flächiges, insbesondere platten-, bogen- oder schalenförmiges Bauteil geformt. Das Einlegeteil kann auch zumindest teilweise plattenförmig, flächig oder bogenförmig geformt sein und teilweise als Hohlkörper.
Gemäß einer Ausführungsform formen das Einlegeteil bzw. eine Wand des Einlegeteils oder beispielsweise die vorgenannte Tasche und/oder die Öffnung einen Teil einer Außenwand des Gussbauteils. Das Einlegeteil kann also einen Teil/Bereich einer Außenwand des Gussbauteils mit formen/bilden, es bleibt also sichtbar. Auf diese Weise ist es möglich, die optischen Eigenschaften über derartige „Sichtbereiche“ zu beeinflussen. Zweckmäßigerweise können dadurch aber auch weitere technische Aspekte realisiert werden, wie beispielsweise das Einsetzen von aerodynamischen Komponenten in die vorerwähnten Taschen, wenn es sich bei dem Gussbauteil z. B. um eine (Pkw-)Felge handelt.
Grundsätzlich gilt, dass das Einlegeteil partiell oder vollständig umgossen sein kann. Die vorgenannten Sichtbereiche können beim Gießen des Bauteils mitberücksichtigt werden. Alternativ können Sie aber auch nachträglich freigelegt werden, beispielsweise durch einen mechanischen oder chemischen Prozess.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Einlegeteil Wände, Wandabschnitte bzw. Außenflächen auf, welche durch Strukturelemente, insbesondere Streben und/oder Rippen verbunden sein können. Zweckmäßig kann es auch sein, dass das Einlegeteil zumindest bereichsweise eine Steg-/Gitter- oder Wabenstruktur aufweist. Bezugnehmend auf die bereits erwähnte Ausgestaltung als Hohlkörper sei erwähnt, dass dieser sowohl offen als auch geschlossen ausgebildet sein kann. Das Gussmaterial kann dann z. B. in einen derart offenen Hohlkörper einfließen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Einlegeteil eine strukturierte Oberfläche auf, welche insbesondere zur besseren Vernetzung des Einlegeteils mit dem Gusswerkstoff dient. Bei vielen additiven Fertigungsverfahren entsteht ohnehin prozessbedingt eine gewisse Bauteilrauigkeit, welche ideal für das Umgießen und das Anhaften des Gusswerkstoffs geeignet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Einlegeteil derart dimensioniert und/oder positioniert, dass eine Wandstärke des Gussbauteils durch das Einlegeteil im Wesentlichen konstant gehalten werden kann. Am Beispiel einer Felge seien die daraus resultierenden Vorteile im Folgenden näher beschrieben: Wenn eine Felge vom Kern her gegossen wird, kann es beim Ausfüllen der Außenbereiche (Felgenhorn etc.) zu Problemen kommen, da das Material in den vergleichsweise dünnen Stegen der Felge schneller erstarrt. Um zur Festigkeit der Felge beizutragen (je mehr Oberfläche, desto größer die Festigkeit) und das Volumen zu verkleinern, können mit Vorteil Einlegeteile im Bereich der Stege verwendet werden. Mithilfe der Einlegeteile lässt sich die Verteilung der Schmelze besser steuern und ein Materialengpass (großes Volumen, dünner Steg), beispielsweise im Bereich der Übergänge der Stege ins Felgenbett wird behoben. Das Werkzeug lässt sich somit vollständig füllen und eine prozessuale Verbesserung ist erreicht.
Generell kann es sich bei dem Gussbauteil um die unterschiedlichsten Teile handeln. Das Einlegeteil kann also mit Vorteil in den verschiedensten Gussbauteilen zum Einsatz kommen. Typische Anwendungsfelder im Bereich Automotive sind insbesondere Fahrwerks- oder Antriebskomponenten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Gussbauteil um eine Felge, insbesondere um eine PKW-Felge, bevorzugt aus einer Leichtmetalllegierung. Auch die Ausgestaltung des Gussbauteils bzw. die Verwendung des Einlegeteils in Fahrwerkskomponenten wie Quer- und/oder Längslenkern ist bevorzugt. Daneben bietet sich auch die Ausgestaltung bzw. die Verwendung in Strukturbauteilen wie Querträgern, Längsträgern, A-/B- oder C-Säulen etc. an.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Einlegeteil zumindest eine Sollbruchstelle auf. Derart sicherheitsrelevante Sollbruchstellen können verwendet werden, um gesetzliche Anforderungen, resultierend beispielsweise aus Crash-Tests, zu erfüllen. Damit kann ein gezieltes Verformen oder auch Brechen eines Bauteils, insbesondere im Bereich des Einlegeteils, herbeigeführt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils, umfassend die Schritte:

– Herstellen zumindest eines Einlegeteils mit einem additivem Fertigungsverfahren;
– Einlegen des zumindest einen Einlegeteils in eine Gießform und vollständiges oder partielles Umgießen mit einem flüssigen Werkstoff.

Für das erfindungsgemäße Verfahren gelten die im Zusammenhang mit dem Gussbauteil erwähnten Vorteile und Merkmale analog und entsprechend sowie umgekehrt.
Mit Vorteil können durch ein derartiges Gussbauteil, umfassend einen oder mehrere additiv gefertigte Einlegeteile bzw. durch das vorgenannte Verfahren, die Materialeigenschaften des Gussbauteils verbessert werden. Durch die Verwendung additiver Fertigungsverfahren wird sozusagen automatisch die Anbindung an das Gussbauteil optimiert. Durch die Verwendung additiver Fertigungsverfahren können die Steifigkeiten und/oder Festigkeiten, beispielsweise durch Querverstrebungen und/oder Topologieoptimierungen, die ohne den Einsatz additiver Fertigungsverfahren nicht darstellbar wären, verbessert werden. Außerdem ergeben sich neue Designmöglichkeiten, insbesondere beispielsweise durch die teilweise Freilegung/Offenlegung des Einlegeteils bzw. der Einlegeteile (vgl. Multicoloreffekte).
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen von Gussbauteilen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Verschiedene Merkmale können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
Es zeigen:
1: eine teilweise Schnittdarstellung mit einem additiv gefertigten Einlegeteil;
2: eine weitere Ausführungsform eines Einlegeteils für eine Felge;
3: eine Prinzipskizze eines Einlegeteils, eingesetzt zur Optimierung der Schmelzeverteilung im Gusswerkzeug.
1 zeigt ein Gussbauteil bzw. eine Felge 10, welche mehrere Stege 12 aufweist. Die Felge 10 ist geschnitten dargestellt, wobei ein Schnitt derart durch einen Steg 12 verläuft, dass auch ein dort angeordnetes Einlegeteil 20 erkennbar ist. Deutlich zu sehen ist, dass durch das Einlegeteil 20 die Wandstärke des Stegs 12 sehr dünn gehalten werden kann. Über Strukturelemente 22, wie beispielsweise Streben und/oder Rippen, können gezielt die Eigenschaften des Einlegeteils 20, beispielsweise hinsichtlich Festigkeit und/oder Steifigkeit, beeinflusst werden. Das in der 1 zu sehende Einlegeteil 20 weist bereits eine äußerst komplizierte Struktur auf, welche allerdings im Rahmen der additiven Fertigung problemlos darstellbar ist. In der rechten Bildhälfte ist das Einlegeteil 20 getrennt vom Gussbauteil 10 dargestellt, wobei hier insbesondere ein Wandabschnitt bzw. eine Außenwand 24 des Einlegeteils 20 erkennbar ist.
2 zeigt im Wesentlichen das aus der 1 bekannte Einlegeteil 20. Allerdings weist dieses in der hier gezeigten Ausführungsform eine Tasche bzw. Ausnehmung 30 und eine Öffnung bzw. einen Durchbruch 32 auf. Erkennbar ist, dass das hier gezeigte Einlegeteil 20 nur partiell umgossen ist, so dass die Tasche bzw. Ausnehmung 30 und der Durchbruch bzw. die Öffnung 32 in der fertigen Felge 10 erkennbar/sichtbar bleiben. Möglich wäre es auch, das Gussbauteil 10 in diesen Bereichen entsprechend nachzubearbeiten und das Einlegeteil 20 an den gewünschten Stellen entsprechend freizulegen. Das hier gezeigte Einlegebauteil 20 ist ebenfalls im Wesentlichen als Hohlkörper ausgebildet, weist aber insbesondere im Bereich der Tasche 30 auch eine flächige Ausgestaltung auf.
3 zeigt eine Prinzipskizze zur Darstellung eines optimierten Schmelzeflusses beim Gießen durch Verwendung eines Einlegeteils 20. Dargestellt ist auch hier eine Felge 10, umfassend mehrere Stege 12 und eine Rotations- bzw. Drehachse D. Wenn nun die Felge vom Kern K her gegossen wird, kann es beim Ausfüllen der Außenbereiche, also den Bereichen insbesondere über dem Einlegeteil 20, zu Problemen kommen, da das Material in den vergleichsweise dünnen Stegen 12 schneller erstarrt. Durch die Verwendung des Einlegeteils 20 lässt sich die Verteilung der Schmelze steuern und der Materialengpass wird behoben. Damit lässt sich die Gießform vollständig füllen. Der Pfeil P soll lediglich skizzenhaft die Fließrichtung des flüssigen Werkstoffs bzw. des Schmelzeflusses verdeutlichen.
Bezugszeichenliste

10: Gussbauteil, Felge
12: Steg
20: Einlegeteil
22: Strukturelement, Strebe, Rippe
24: Wandabschnitt, Außenwand
26: Oberfläche
30: Tasche, Ausnehmung
32: Durchbruch, Öffnung
D: Drehachse
K: Kern
P: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1048378 A1 [0002]
DE 19826848 A1 [0002]

Claims

Gussbauteil (10), insbesondere aus einer Leichtmetalllegierung, umfassend zumindest ein Einlegeteil (20), wobei das Einlegeteil (20) durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt ist.
Gussbauteil (10) nach Anspruch 1, wobei das additive Fertigungsverfahren selektives Strahlschmelzen, Laserauftragsschweißen oder Binder-Jetting ist.
Gussbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einlegeteil (20) eine Tasche (30) und/oder eine Öffnung (32) aufweist.
Gussbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tasche (30) und/oder die Öffnung (32) einen Teil einer Außenwand des Gussbauteils (20) mit formt.
Gussbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einlegeteil (20) Wandabschnitte (24) umfasst, welche durch Strukturelemente (22), insbesondere Streben und/oder Rippen, verbunden sind.
Gussbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einlegeteil (20) eine strukturierte Oberfläche aufweist.
Gussbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einlegeteil (20) derart dimensioniert und/oder positioniert ist, dass eine Wandstärke des Gussbauteils (10) durch das Einlegeteil (20) im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Gussbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch das Einlegeteil die Steifigkeit des Gussbauteils (10) zumindest bereichsweise erhöht ist.
Gussbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einlegeteil (20) zumindest eine Sollbruchstelle aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils (10), umfassend die Schritte: – Herstellen zumindest eines Einlegeteils (20) mit einem additiven Fertigungsverfahren; – Einlegen des zumindest einen Einlegeteils (20) in eine Gießform und vollständiges oder partielles Umgießen mit einem flüssigen Werkstoff.