DE102017214518A1 - Verbundgussteil und Verfahren zum Herstellen eines Verbundgussteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundgussteil mit einer gegossenen Komponente (2) und einem metallischen Strukturelement (3). Die gegossene Komponente (2) ist aus einem metallischen Gusswerkstoff gebildet und das Strukturelement (3) ist zumindest bereichsweise formschlüssig mit dem Gusswerkstoff verbunden.Das Strukturelement (3) ist ein generativ gefertigtes Strukturelement (3), das eine Oberflächenstruktur (4) mit Vertiefungen (5) aufweist, in die der Gusswerkstoff eingedrungen ist. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Verbundgussteils.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verbundgussteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundgussteils.
• Aus dem Stand der Technik sind Gießverfahren zum Herstellen von Verbundgussteilen durch Umgießen von Einlegeteilen mit einer Metall- oder Kunststoffschmelze bekannt.
• Beispielsweise beschreibt die Druckschrift DE 10 2014 206 088 A1 ein Metallgussverfahren und ein Kunststoffspritzverfahren, bei denen ein Einlegeteil in einer Materialschmelze umgossen wird, ohne dass die Materialschmelze in das Innere des Einlegeteils eindringt, indem ein flexibles Dichtelement verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass Einlegeteile wie Gewinde direkt im Gussverfahren in ein Bauteil eingearbeitet werden können und keine aufwendige Nachbearbeitung des Bauteils durch Gewindeschneiden nötig ist.
• Durch ein Einlegen des Einlegeteils entsteht in dem Verbundgussteil ein Übergangsbereich zwischen dem Einlegeteil und dem Gusswerkstoff. Dieser Bereich weist bei aus dem Stand der Technik bekannten Bauteilen beschriebener Art eine geringere Stabilität auf, sodass das Verbundgussteil industriellen Belastungsansprüchen nicht standhalten kann. Auch erweist sich die Herstellung als nachteilig aufwendig.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil zu schaffen, das im Hinblick auf seine Stabilität und/oder Funktionalität Eigenschaften hat, die sich mit einem einfachen Gussbauteil nicht oder nur schwierig realisieren lassen, das sich aber dennoch auf einfache Weise zu möglichst geringen Kosten herstellen lässt. Zudem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend einfaches Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils vorzuschlagen.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verbundgussteil gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruches. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche und der Ausführungsbeispiele.
• Das vorgeschlagene Verbundgussteil umfasst eine gegossene Komponente und ein metallisches Strukturelement. Die gegossene Komponente ist aus einem metallischen Gusswerkstoff gebildet, und das Strukturelement ist zumindest bereichsweise formschlüssig mit dem Gusswerkstoff verbunden. Typischerweise ist das Strukturelement dabei zumindest teilweise von dem Gusswerkstoff umschlossen. Erfindungsgemäß ist das Strukturelement ein generativ gefertigtes Strukturelement, das eine Oberflächenstruktur mit Vertiefungen aufweist, in die der Gusswerkstoff eingedrungen ist.
• Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren, mit dem sich ein Verbundgussteil beschriebener Art vorteilhaft einfach herstellen lässt. In dem Verfahren wird eine Gussform bereitgestellt. Zudem wird in dem Verfahren ein erfindungsgemäß generativ gefertigtes Strukturelement bereitgestellt, das eine Oberflächenstruktur mit Vertiefungen aufweist. Das Strukturelement wird in der Gussform angeordnet. Das Verfahren umfasst des Weiteren ein Ausgießen der Gussform mit einem metallischen Gusswerkstoff, um eine gegossene Komponente zu formen. Dabei dringt der metallische Gusswerkstoff zumindest teilweise in die Vertiefungen des generativ gefertigten Strukturelements ein. Schließlich härtet der metallische Gusswerkstoff aus, sodass das generativ gefertigte Strukturelement eine formschlüssige Verbindung mit der gegossenen Komponente und mit dieser zusammen das Verbundgussteil bildet.
• Der Verfahrensschritt des Bereitstellens des generativ gefertigten Strukturelements kann insbesondere ein generatives Herstellen des Strukturelementes mit einem generativen Fertigungsverfahren umfassen, also durch additive Fertigung.
• Mit der Merkmalskombination des erfindungsgemäßen Verbundgussteils wird vorteilhaft ein stabiles Bauteil geschaffen, das auf vergleichsweise einfache Art und Weise, nämlich durch eine Kombination eines Druckgussverfahrens mit einem generativen Fertigungsverfahren, hergestellt werden kann und das aufgrund der Verwendung als generativ gefertigtes Strukturelement eine Funktionalität haben kann, die sich bei einem herkömmlichen Gussteil nicht oder nur mit großem Aufwand realisieren lässt. Ein Gussverfahren ermöglicht eine einfache und kostengünstige Fertigung eines Bauteils, da dabei nicht mehr Material als nötig eingesetzt wird, wobei keine oder nur eine geringe Nachbearbeitung nötig ist und keine zusätzlichen Materialkosten durch überschüssigen Werkstoff entstehen. Vorteilhaft an der generativen Herstellung des Strukturelements ist, dass ebenfalls keine Materialkosten durch überschüssigen Werkstoff entstehen und komplexe, insbesondere hinterschnittige Oberflächenstrukturen einfach und schnell gefertigt werden können, die mit herkömmlichen Verfahren nur aufwendig durch Nachbearbeitung oder mittels mehrerer aufeinanderfolgender Verfahrensschritte hergestellt werden könnten. Das Strukturelement kann zudem aus einem stabilen Werkstoff, typischerweise aus einem Edelstahl, gefertigt werden und kann hohen Belastungen standhalten. Die komplexe Oberflächenstruktur mit den Vertiefungen ermöglicht einen stabilen Verbund der gegossenen Komponente mit dem generativ hergestellten Strukturelement. Durch eine erfindungsgemäße Fusion der Herstellungsverfahren des generativen Fertigens und des Gussverfahrens, wird ein stabiles und dennoch einfach herzustellendes Bauteil geschaffen, das in Form eines Verbundgussteils die an die Erfindung gestellte Aufgabe löst.
• In einer möglichen Ausführungsform des Verbundgussteils ist das Strukturelement ein Gewindeträger mit einem Gewinde. Auf diese Weise kann ein Gewinde direkt in das Verbundbauteil eingebunden und fest mit selbigem verbunden sein. So kann eine Notwendigkeit einer Nachbearbeitung der gegossenen Komponente durch zum Beispiel Gewindeschneiden vermieden werden. Durch die generative Fertigung des Gewindeträgers kann dieser insbesondere auf einfache Weise gefertigt werden, dass insbesondere Dichtelemente, wie sie beispielsweise in der DE 10 2014 206 088 A1 beschrieben sind, entfallen können und dadurch eine vereinfachte Herstellung des Verbundgussteils ermöglicht wird.
• In einer weiteren Ausführungsform kann das Strukturelement eine Kühlstruktur mit einem Kanal für ein Kühlfluid sein. Eine generativ gefertigte Kühlstruktur kann auch in innenliegenden Hohlräumen Strukturen mit Vorsprüngen, Hinterschneidungen und/oder Innenverstrebungen aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise in Rohrstrukturen eine vergrößerte Oberfläche gegenüber konventionell gefertigten Strukturen generiert und somit eine bessere Wärmeabfuhr ermöglicht werden kann.
• In einer weiteren Ausführung kann das Strukturelement ein Common-Rail-Druckspeicher sein. Dies hat den Vorteil, dass Materialien wie beispielsweise hochfeste Stähle zur generativen Fertigung des Common-Rail-Druckspeichers genutzt werden können, die hohen Drücken über 1000 bar standhalten. Dadurch ist eine hinreichende Belastbarkeit des Strukturelements gegeben, um den im Common-Rail-Einspritzsystem üblichen Kraftstoffdrücken standzuhalten, während weniger belastete Komponenten eines Common-Rail-Systems, zu dem der Druckspeicher gehört, an den Druckspeicher angegossen oder um diesen herumgegossen werden können, beispielsweise Anbindungspunkte zum Montieren des Druckspeichers. Dies ermöglicht beispielsweise das Herstellen des Common-Rail-Systems und ein Anfügen von Verbindungselementen in einem Verfahrensschritt durchzuführen und somit die Herstellung von Common-Rail-Systemen hinsichtlich Aufwand und Fertigungszeit zu vereinfachen.
• Das Strukturelement kann insbesondere einen von einer Wand des Strukturelements begrenzten Kanal oder Hohlraum – beispielsweise den genannten Kanal für ein Kühlfluid oder einen Innenraum des genannten Common-Rail-Druckspeichers – aufweisen, dessen Wand durch mindestens eine innerhalb des Kanals bzw. Hohlraums gebildete Strebe versteift ist. Durch die generative Fertigung des Strukturelements können innenliegende Verstärkungsstrukturen wie beispielsweise Innenverstrebungen problemlos gebildet werden. So können innenverstrebte Bauteile unter Verwendung eines praktischen Gussverfahrens hergestellt werden, die hohe Belastungen aufnehmen können und Kräfte gezielt über Lastpfade entlang der Innenstruktur weiterleiten können. Dadurch, also durch eine Innenverstrebung des Kanals oder Hohlraums, ergibt sich auch eine hinreichend hohe Belastbarkeit des Strukturelements, um trotz des Kanals oder Hohlraums einer Herstellung der gegossenen Komponente in einem Druckgussverfahren standzuhalten. Mit einem Druckgussverfahren wird eine besonders kostengünstige, einfache und schnelle Fertigung möglich.
• Typische Ausführungen des vorgeschlagenen Verbundgussteils sehen vor, dass der Gusswerkstoff Aluminium, Magnesium und/oder Zink enthält. Eine Verwendung von Aluminium oder Magnesium oder Legierungen, die Aluminium oder Magnesium enthalten, für den Gusswerkstoff kann vorteilhaft sein, weil das Verbundgussteildeshalb dann besonders leicht ausgeführt werden kann. Aluminium und Magnesium zeichnen sich nämlich besonders durch geringe Dichten von 2,7 g/cm³ bzw. 1,75 g/cm³ aus. Zink oder Zinklegierungen wiederum eignen sich für Bauteile, die höhere Festigkeiten und Härten aufweisen müssen. Auch sind die genannten Gusswerkstoffe von Vorteil, weil sie sich für Druckgussverfahren eignen.
• Die gegossene Komponente kann also insbesondere in einem Druckgussverfahren hergestellt werden. Der metallische Gusswerkstoff wird bei diesen Ausführungen beim Ausgießen der Gussform unter Druck in die Gussform eingespritzt, beispielsweise mit einem Druck zwischen 10 MPa und 200 MPa. Druckgussverfahren haben beispielsweise den Vorteil, dass mit einer Dauerform gearbeitet wird, d.h. in einer Serienproduktion wird einmalig eine Form erstellt, die für die Herstellung der kompletten Serie genutzt wird. Somit werden Formbaukosten reduziert. Auch erlaubt das Druckgussverfahren eine besonders schnelle Fertigung bei sehr genauer Formgebung. Allerdings ist die Verwendung eines Niederdruckverfahrens ebenfalls nicht ausgeschlossen.
• In einer möglichen Ausgestaltung kann das Strukturelement in einem Pulverbettverfahren, vorzugsweise durch Selektives Lasersintern, Selektives Laserschmelzen, Selective Heat-Sintering, Selektives Elektronenstrahlschmelzen oder Binder Jetting, hergestellt sein. Pulverbettverfahren haben den Vorteil, dass Bauteile gefertigt werden können, die eine hohe Geometriefreiheit aufweisen, und dass auch Hohlräume, Innenverstrebungen und Hinterschnitte hergestellt werden können, ohne dass Bauteilkerne beim Herstellungsverfahren nötig sind.
• In einer möglichen Ausgestaltung des Verbundgussteils kann das Strukturelement aus Stahl, vorzugsweise Edelstahl, gefertigt sein. Dies hat den Vorteil, dass das Strukturelement eine höhere Festigkeit aufweist, insbesondere gegenüber dem Gusswerkstoff aus beispielsweise Aluminium oder Magnesium. Die Festigkeit des Verbundgussteils wird damit lokal, d.h. dort, wo das Strukturelement eingelegt ist, erhöht, und das Verbundgussteil kann bereichsweise höheren Belastungen standhalten. Besonders geeignet ist diese Ausführungsform, wenn das Strukturelement ein Verbindungselement, beispielsweise ein Gewinde, aufweist. Dies hat den Grund, dass an Verbindungselementen meist hohe Belastungen auftreten und Kräfte übertragen werden, denen das Verbundbauteil standhalten soll. Das Strukturelement kann aber auch aus einem anderen Werkstoff gefertigt sein.
• In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können die Vertiefungen als Zwischenräume einer offenen Oberflächenstrukturierung oder als porös gradierte Oberflächenschichten ausgestaltet sein.
• Typische Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Vertiefungen eine Tiefe von maximal 5 mm, vorzugsweise von maximal 3 mm, besonders vorzugsweise von maximal 1 mm, aufweisen. Die Tiefe kann minimal 0,01 mm, vorzugsweise minimal 0,05 mm, besonders vorzugsweise minimal 0,1 mm, aufweisen. Die vorgeschlagenen minimalen Tiefen bringen dabei den Vorteil mit sich, dass ausreichend Gusswerkstoff in die Vertiefungen eindringen kann, um nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs einen stabilen Formschluss zu bilden, der hohen Belastungen standhalten kann. Eine Einhaltung der genannten Obergrenzen wiederum kann im Hinblick auf eine möglichst komplikationsfreie Herstellung des Strukturelements von Vorteil sein. Des Weiteren können die Vertiefungen jeweils eine laterale Ausdehnung von minimal 0,1 mm, vorzugsweise minimal 0,2 mm und/oder maximal 7 mm, vorzugsweise maximal 5 mm, haben, um sowohl einen guten Formschluss zwischen der gegossenen Komponente und dem Strukturelement zu erreichen als auch Schwierigkeiten bei der Herstellung des Strukturelements zu vermeiden.
• Bei der Ausgestaltung der Vertiefungen als offene Oberflächenstrukturierung weist das Strukturelement an der Oberfläche Strukturen beliebiger Querschnittsgeometrie auf, die beispielsweise einer definierten Geometrie folgend regelmäßig oder auch unregelmäßig angeordnet sein können. Die Länge der einzelnen Strukturen beträgt in einer Ausführungsform höchstens das 20-fache des Durchmessers oder Querschnitts einer Struktur.
• Die offene Oberflächenstrukturierung kann auch eine Gitterstruktur aufweisen, sodass die Vertiefungen zwischen gitterförmig angeordneten Stegen oder Graten gebildet sind. So kann besonders einfach eine große Oberfläche der Oberflächenstruktur geschaffen werden, die von Gusswerkstoff umschlossen werden kann, sodass sich ein guter Formschluss zwischen der gegossenen Komponente und dem Strukturelement ergibt.
• Zusätzlich zu dem Formschluss kann – unabhängig von der genannten Form der Oberflächenstruktur – auch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen gegossener Komponente und Strukturelement zustande kommen und zwar durch unterschiedliche Ausdehnungs- und Schrumpfungsverhalten der Beiden. Der Kraftschluss kann die Festigkeit des Verbundgussteils erhöhen. Schließlich ist auch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem oberflächenstrukturierten Strukturelement und der gegossenen Komponente nicht ausgeschlossen, die sich durch oberflächliches Anschmelzen des Strukturelements ergeben kann. Ein Stoffschluss kann die Festigkeit des Verbundgussteils an der Verbindungsstelle zwischen dem Strukturelement und der gegossenen Komponente erhöhen.
• In einer möglichen Ausführung kann die Oberflächenstruktur eine gradierte Randschicht aufweisen oder durch eine gradierte Randschicht gegeben sein. Dies bedeutet, dass eine gemittelte Materialdichte des Strukturelements in einem Übergangsbereich zwischen dem Strukturelement und der gegossenen Komponente in der Randschicht einen Gradienten aufweist, also zur Oberfläche des Strukturelements hin bzw. zur gegossenen Komponente hin, abnimmt. Eine Veränderung der Stoffkonzentration führt dabei zu einem solchen heterogenen Gefüge in der Randschicht. Insbesondere kann die Oberflächenstruktur auch porös gradiert sein, also eine Änderung der Porosität über den Gradienten der Randschicht aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass das Verbundgussteil mit einer gradierten Oberflächenstruktur des Strukturelements durch einen fließenden Übergang zwischen dem eingegossenen Strukturelement und der gegossen Komponente höheren Belastungen standhalten kann, da abrupte Übergänge zwischen Werkstoffen vermieden werden können. Außerdem ergibt sich dadurch ein besonders guter Wärmeaustausch zwischen dem Strukturelement und der gegossenen Komponente, was zum Beispiel von Vorteil sein kann, wenn das Strukturelement einen Kühlkanal aufweist. Der Gradient kann dabei je nach Anwendungsbereich gezielt eingestellt werden. So kann für unterschiedliche Anwendungen besonders gute Festigkeit, besonders gute Wärmeleitfähigkeit oder eine besonders gute Ausnutzung des Bauraums erreicht werden. In einer Ausführungsform weisen die Poren einen Durchmesser von mindestens 0,02 mm auf, um von dem Gusswerkstoff infiltriert werden zu können.
• Typische Ausführungen des vorgeschlagenen Verbundgussteils sehen vor, dass das Strukturelement ein Gewinde, typischerweise ein Innengewinde, beispielsweise zum Befestigen einer komplementären Schraube oder eines Bolzens, aufweist. Alternativ kann das Strukturelement ein Außengewinde, zum Befestigen beispielsweise einer komplementären Mutter, aufweisen.
• Ein Gewindegang dieses Gewindes kann dabei durch elastische Vorsprünge gebildet sein, die an einer Wand des Gewindes entlang einer spiralförmigen Linie angeordnet sind. Die Linie gibt dabei einen Verlauf der Gewindebahn vor. Die Vorsprünge sind in einer Ausführungsform zu einem Ende des Gewindes geneigt, um ein Aufstecken bzw. Einstecken eines komplementären Gewindes, typischerweise eines Außengewindes, unter elastischer Verformung der Vorsprünge zu erlauben. Das genannte komplementäre Gewinde lässt sich dadurch zwar ohne Drehung ein- oder aufstecken, dann jedoch nur in gewöhnlicher Weise durch Drehen wieder lösen. Das ermöglicht eine besonders einfache Herstellung einer nur auf herkömmliche Weise lösbaren Schraubverbindung durch Stecken. Durch eine erhöhte Einsteckkraft oder durch ein zusätzliches Beaufschlagen des komplementären Gewindes mit einem Drehmoment kann eine Vorspannung erhöht werden. Ein Gewinde dieser Art, also ein Steckgewinde, bei dem ein Gewindegang dieses Gewindes gebildet ist durch elastische Vorsprünge, die an einer Wand des Gewindes entlang einer spiralförmigen, einen Verlauf der Gewindebahn vorgebenden Linie angeordnet sind, um ein Aufstecken eines komplementären Gewindes in einer Steckrichtung unter elastischer Verformung der Vorsprünge zu erlauben, kann übrigens auch unabhängig von den anderen hier genannten Merkmalen der vorliegend in erster Linie beschriebenen Erfindung und ihrer anderen Ausgestaltungen und Weiterbildungen nutzbringend realisiert werden.
• Typischerweise wird man ein Bauteil mit einem solchen Gewinde bzw. ein dieses Gewinde aufweisenden Teil eines Bauteils aus Stahl, beispielsweise einem höherfesten oder höchstfesten Edelstahl, oder einem anderen hinreichend stabilen und zugleich elastischen Metall herstellen.
• Die Funktionalität eines solchen Gewindes kann durch verschiedene Ausgestaltungsformen oder Anordnungen der elastischen Vorsprünge optimiert werden, so dass ein komplementäres Gewinde besonders leicht durch Stecken befestigt werden kann und gleichzeitig das Widerstandsmoment entgegen der Steckrichtung maximiert wird. Diese Ausführungsformen werden im Folgenden beschrieben.
• In einer Ausführungsform sind in der Wand des Steckgewindes Höhlungen vorgesehen, innerhalb derer jeweils ein Ansatz mindestens eines der elastischen Vorsprünge angeordnet ist. Von den Vorsprüngen ragt jeweils das Ende oder ein vorderer Bereich aus den Höhlungen heraus.
• Dabei soll die Möglichkeit nicht ausgeschlossen sein, dass mehrere Höhlungen so verbunden sind, dass sie gemeinsam eine einzige Nut bilden, die spiralförmig der Gewindebahn folgt.
• Dadurch kann der Bauraum reduziert werden oder eine größere Länge und damit bessere Flexibilität der elastischen Vorsprünge bei gleichem Durchmesser des Bauteils erreicht werden, sowie größere Passgenauigkeit zwischen dem Gewinde und einem komplementären Gewinde erreicht werden. Ist das Gewinde beispielsweise als Innengewinde ausgebildet und das komplementäre Gewinde als Schraube, so kann erreicht werden, dass das von der Wand begrenzte Loch einen Durchmesser aufweist, der nur wenig größer ist als der Außendurchmesser der komplementären Schraube. Für ein Gewinde das als Außengewindeausgebildet ist und ein komplementäres Innengwinde, wie zum Beispiel eine Mutter, ergibt sich analog, dass der von der Wand des Strukturelements beschriebene Zylinder einen Radius aufweisen kann, der wenig kleiner ist als der Innendurchmesser des komplementären Innengewindes. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein aufgestecktes Gewinde möglichst wenig seitliches Spiel aufweist und es kann das Eindringen von Schmutz verhindert werden.
• In einer Ausführungsform sind die Höhlungen so ausgebildet und/oder die elastischen Vorsprünge innerhalb der jeweiligen Höhlung, in der sie angeordnet sind, so positioniert, dass die elastischen Vorsprünge zum Ende des Gewindes hin, also in Steckrichtung, auf voller Länge verformbar sind ohne an eine Begrenzung der Höhlung zu stoßen, entgegen der Steckrichtung aber eine Begrenzung der Höhlung einen Anschlag für den elastischen Vorsprung bildet, der eine Verformung des jeweiligen Vorsprungs entgegen der Steckrichtung behindert.
• In einer Ausführungsform weisen die elastischen Vorsprünge einen Knick oder ein Biegung auf, sodass die Enden der Vorsprünge zum Ende des Gewindes hin, also in Steckrichtung, abgeknickt oder gebogen geformt sind. Hierdurch kann das Aufstecken vereinfacht und das Verformen der elastischen Vorsprünge entgegen der Steckrichtung erschwert werden.
• Die Enden der Vorsprünge können mit einer ersten Gewindeflanke eines aufgesteckten komplementären Gewindes in Kontakt stehen. Dies wird zum Beispiel durch eine entsprechende Ausgestaltung der Biegung oder des Knicks ermöglicht. Hierdurch kann das Widerstandsmoment entgegen der Steckrichtung erhöht werden.
• Die Neigung der elastischen Vorsprünge zum Ende des Gewindes hin kann so gewählt sein, dass die elastischen Vorsprünge in einem Bereich zwischen dem Ansatz und Ende des jeweiligen Vorsprungs mit einer zweiten Gewindeflanke eines aufgesteckten komplementären Gewindes in Kontakt stehen.
• Beispielsweise können die elastischen Vorsprünge jeweils an ihrem Ansatz um einen Neigewinkel von zwischen 30° und 50° gegenüber einer Flächennormalen der Wand zum Ende des Gewindes hin geneigt sein. Vorzugsweise beträgt die Neigung zwischen 30° und 40° gegenüber der Flächennormalen zur Wand des Steckgewindes, sodass die elastischen Vorsprünge dazu geeignet sind, an der zweiten Gewindeflanke eines aufgesteckten ISO Regelgewindes anzuliegen. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Neigewinkel nicht zu klein gewählt wird, um die Steckrichtung als Vorzugsrichtung zu definieren und für eine geeignete Vorspannung der Vorsprünge zu sorgen.
• In einer Ausführungsform haben die Enden der Vorsprünge Kontakt zu der ersten Gewindeflanken des komplementären Gewindes und die Vorsprünge liegen in einem mittleren Bereich an der zweiten Gewindeflanke des komplementären Gewindes an, sodass das aufgesteckte Bauteil mit komplementärem Gewinde kein oder sehr wenig Spiel aufweist.
• Ferner können die elastischen Vorsprünge versteifende Strukturen aufweisen, die eine Verformung in Steckrichtung weiterhin ermöglichen, aber eine Verformung entgegen der Steckrichtung zusätzlich erschweren. Hierzu sind beispielsweise Längsrippen auf den elastischen Vorsprüngen oder eine Wölbung der elastischen Vorsprünge geeignet.
• Zur Minimierung von Kerbspannungen und/oder Erhöhung der Bruchsicherheit und/oder Vermeidung von plastischer Verformung der elastischen Vorsprünge können die elastischen Vorsprünge im Ansatz oder in der Nähe ihres Ansatzes eine Querschnittvergrößerung aufweisen. Die Querschnittvergrößerung kann beispielsweise einen harmonischen Übergang zur Wand herstellen. In einer Ausführungsform ist die Querschnittvergrößerung durch eine Aneinanderreihung gleichschenkliger Dreiecke im Sinne der Methode der Zugdreiecke gegeben.
• Ein Bauteil mit elastischen Vorsprüngen oder Pins beschriebener Art zum Realisieren einer Steckverbindung kann auch mit einer dem beschriebenen Gewinde entsprechenden, aber nicht rotationssymmetrischen Struktur ausgeführt werden. Dann erlauben die elastischen Vorsprünge, die innerhalb eines Lochs mit beliebiger Querschnittgeometrie oder außen an einem Stehbolzen mit beliebiger Querschnittgeometrie angeordnet sind, das Aufstecken oder Einstecken eines Bauteils mit einer komplementären Querschnittgeometrie, wobei das Bauteil mit komplementärer Querschnittgeometrie Erhebungen und Vertiefungen aufweist, die wiederum komplementär zu den elastischen Vorsprüngen sind. Dadurch wird eine irreversible Befestigung durch Stecken ermöglicht, die anders als bei dem zuvor beschriebenen Gewinde nicht durch schrauben gelöst werden kann.
• Das generative Verfahren zur Herstellung des Strukturelementes kann ein Pulverbettverfahren sein. Beispielhaft können Pulverbettverfahren wie Selektives Lasersintern, Selektives Laserschmelzen, Selective Heat-Sintering, Selektives Elektronenstrahlschmelzen oder Binder Jetting genannt werden, die als Herstellungsverfahren des Strukturelementes dienen können. Das Strukturelement kann jedoch auch durch ein anderes Pulverbettverfahren hergestellt werden. Pulverbettverfahren sind insofern vorteilhaft, als überschüssiges Pulver, das nicht verfestigt wurde, weitestgehend weiterverwendet werden kann und somit beispielsweise gegenüber spanenden Verfahren Material eingespart werden kann. Zudem sind Pulverbettverfahren Verfahrenbesonders gut geeignet, das Strukturelement generativ so zu fertigen, dass auch Hinterschneidungen und Hohlräume ohne Bauteilkerne oder andere stützende Hilfsmittel hergestellt werden können.
• Ferner kann das Strukturelement aus zwei einzeln generativ gefertigten Hälften hergestellt sein, die über eine Steckverbinung, beispielsweise über eine Schwalbenschwanzverbindung oder eine ähnliche Verbindung, verfügen zum Verbinden beider Hälften. Möglich ist auch die Fertigung aus mehr als zwei Teilen. Durch die Fertigung aus mehreren Teilen wird die Komplexität der einzelnen generativ zu fertigenden Komponenten reduziert und damit eine schnellere Fertigung ermöglicht und/oder die Fertigung schräger oder gebogener Vorsprünge vereinfacht.
• Durch das Eingießen des Strukturelements ist die Stabilität der Gesamtstruktur auch bei aus mehreren Teilen gefertigten Strukturelementen gewährleistet.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Herstellen eines Verbundgussteils kann die gegossene Komponente insbesondere in einem Druckgussverfahren hergestellt werden. Der metallische Gusswerkstoff wird beim Ausgießen der Gussform dann also unter Druck in die Gussform eingespritzt, beispielsweise mit einem Druck zwischen 10 MPa und 200 MPa. Das angewendete Druckgussverfahren kann dabei beispielsweise ein Aluminium-Druckguss-Verfahren, Zink-Druckgussverfahren, Magnesium-Druckgussverfahren oder Siliziumtombak-Druckgussverfahren sein. Druckgussverfahren sind durch eine sehr rasche, präzise und reproduzierbare Produktherstellung besonders geeignet, um Produkte zu fertigen, die serienmäßig produziert werden sollen.
• Das Strukturelement kann auch als Brennmulde auf einem Motorkolben dienen. Die Brennmulde ist durch die stattfindende Explosion im Motor ein Bereich, der hohen Temperaturen und Belastungen standhalten muss. Dies hat die Folge, dass im Bereich der Brennmulde normalerweise eine aufwendige Vor- und Nachbearbeitung nötig ist, um eine lokal erhöhte Festigkeit des Kolbenwerkstoffes zu erreichen. Ein Motorkolben als Verbundgussteil vorgeschlagener Art mit einem generativ gefertigten Strukturelement als Brennmulde oder allgemeiner als einem Brennraum zugewandter Teil kann hohen Belastungen standhalten und gleichzeitig die Herstellung des Motorkolbens vereinfachen. Dazu kann der Werkstoff des Strukturelements derart gewählt werden kann, dass er den Belastungen während der Verbrennungsphase standhält. Typischerweise ist der Werkstoff des Strukturelementes ein Edelstahl. Eine Vor- und Nachbearbeitung kann somit entfallen und die Herstellung kann weniger aufwendig und kostengünstiger gestaltet werden.
• Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1a einen Ausschnitt eines Querschnitts durch ein Verbundgussteil mit einem Strukturelement in Form eines Gewindeträgers,
• 1b einen vergrößerten Ausschnitt der 1a in einem Übergangsbereich zwischen dem Strukturelement und einer gegossenen Komponente,
• 1c den Übergangsbereich aus 1b, wobei das Strukturelement Stege aufweist,
• 1d den Übergangsbereich aus 1c, wobei das Strukturelement eine Porenstruktur aufweist,
• 2a eine perspektivische Darstellung des Gewindeträgers mit einem Innengewinde,
• 2b eine Seitenansicht des Gewindeträgers mit dem Innengewinde,
• 2c einen Querschnitt durch den Gewindeträger mit Sicht auf das Innengewinde,
• 3 eine perspektivische Ansicht eines Strukturelementes in Form einer Kühlstruktur mit einem Kanal für ein Kühlfluid, das zusammen mit einer nicht abgebildeten gegossenen Komponente ein anderes Verbundgussteil bildet,
• 4 einen Querschnitt eines Verbundgussteils gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei das Verbundgussteil einen Common-Rail-Druckspeicher umfasst,
• 5a eine perspektivische Ansicht eines innenverstrebten Strukturelements mit einem Kühlkanal, das für einen als Verbundgussteil ausgelegten Motorkolben vorgesehen ist,
• 5b einen Querschnitt des innenverstrebten Strukturelements aus 5a,
• 6a zeigt eine Seitenansicht der zwei Hälften eines aus zwei Hälften gefertigten Strukturelements,
• 6b zeigt eine Draufsicht auf die zwei Hälften eines aus zwei Hälften gefertigten Strukturelements mit Steckverbindung,
• 7 zeigt einen geneigten, gebogenen elastischen Vorsprung, der Kontakt zu beiden Gewindeflanken eines aufgesteckten Gewindes aufweist,
• 8 zeigt einen elastischen Vorsprung wie in 7, der in einer Höhlung in der Wand des Strukturelements angebracht ist,
• 9 zeigt einen elastischen Vorsprung mit einer Längsrippe in Seitenansicht und Draufsicht, und
• 10 zeigt einen elastischen Vorsprung mit einer Wölbung in Seitenansicht und Draufsicht.
• Die 1a zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Verbundgussteils 1 mit einer gegossenen Komponente 2 und einem Strukturelement 3. Die gegossene Komponente 2 ist aus einem Gusswerkstoff gebildet. Das Strukturelement 3 weist eine Oberflächenstruktur 4 auf, die an einer Außenseite des Strukturelements 3 angeordnet ist. Die Oberflächenstruktur 4 weist Vertiefungen auf, von denen eine beispielhaft mit dem Bezugszeichen 5 versehen ist. Die Oberflächenstruktur 4 kann gitterförmig ausgebildet sein, sodass die Vertiefungen 5 zwischen gitterförmig angeordneten Stegen 6 oder Graten angeordnet sind. In die Vertiefungen 5 ist der Gusswerkstoff der gegossenen Komponente 2 eingedrungen. Der Gusswerkstoff umschließt dabei zumindest teilweise das Strukturelement 3, sodass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Strukturelement 3 und der gegossenen Komponente 2 besteht. Die Vertiefungen 5 weisen beispielsweise eine Tiefe von 0,5 mm auf. Die Stege 6 haben einen Abstand von jeweils etwa 0,5 mm, sodass auch eine laterale Ausdehnung der Vertiefungen 5 etwa 0,5 mm beträgt. Die Oberflächenstruktur 4 kann eine gradierte Randschicht aufweisen, d.h. die Oberflächenstruktur kann ein Konzentrationsgefälle zwischen einem Werkstoff des Strukturelements 3 und dem Gusswerkstoff der gegossenen Komponente 2 in einem Übergangsbereich zwischen dem Strukturelement 3 und der gegossenen Komponente 2 durch eine Mischung der Werkstoffe aufweisen. Gradienten können auch bezüglich der Struktur, d.h. beispielsweise in Form einer von innen nach außen abnehmenden Porosität, vorliegen. Das Strukturelement 3 und die gegossene Komponente 2 können darüber hinaus auch stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Der Gusswerkstoff der gegossenen Komponente 2 ist oder enthält ein Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium. Der Gusswerkstoff der gegossenen Komponente 2 kann jedoch auch ein anderer metallischer Werkstoff, beispielsweise Zink oder Magnesium, sein oder einen anderen metallischen Werkstoff, beispielsweise Magnesium oder Zink, enthalten. Die gegossene Komponente ist mittels eines Druckgussverfahrens hergestellt, also beispielsweise mittels eines Aluminiumdruckgussverfahrens. Das Strukturelement 3 ist aus einem Stahl oder einem anderen Metall gefertigt. Bevorzugt ist das Strukturelement 3 aus Edelstahl gebildet, beispielsweise aus einem Chromstahl. Das Strukturelement 3 ist generativ gefertigt, und zwar in einem Pulverbettverfahren hergestellt. Beispielhaft sind Pulverbettverfahren wie Selektives Lasersintern, Selektives Laserschmelzen, Selective Heat-Sintering, Selektives Elektronenstrahlschmelzen oder Binder Jetting als Herstellverfahren zur generativen Herstellung des Strukturelements 3 zu nennen. Das Strukturelement 3 weist ein Innengewinde 7 auf, bildet in vorliegendem Ausführungsbeispiel also einen Gewindeträger. Das Innengewinde 7 weist elastische Vorsprünge 8 auf. Die Vorsprünge 8 sind an einer Wand 9 des Innengewindes 7 entlang einer spiralförmigen Linie angeordnet, die einen Verlauf einer Gewindebahn vorgibt. Die spiralförmige Linie verläuft dabei um eine gestrichelt dargestellte Gewindeachse 10. Die Vorsprünge 8 sind zu einem geschlossenen Ende (7‘) des Innengewindes 7 geneigt, sodass ein komplementäres Gewinde, im vorliegenden Fall also ein Außengewinde, unter elastischer Verformung der Vorsprünge 8 aufgesteckt werden kann. Anstelle des illustrierten Strukturelements 3 kann das Strukturelement in einem anderen Ausführungsbeispiel jedoch auch ein Außengewinde aufweisen und beispielsweise einen Stehbolzen bilden, der hohl und mit dem Gusswerkstoff gefüllt sein kann, wobei in solch einem Fall das komplementäre Gewinde ein Innengewinde ist und eine innere Oberfläche des Strukturelements strukturiert und mit Vertiefungen versehen sein kann.
• Die 1b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt 11 der 1a in einem Übergangsbereich zwischen dem Strukturelement 3 und der gegossenen Komponente 2. Der Gusswerkstoff der gegossenen Komponente 2 ist in die Vertiefungen 5 der Oberflächenstruktur 4 des Strukturelements 3 eingedrungen. Der Gusswerkstoff umschließt zumindest teilweise Stege 6, sodass das Strukturelement 3 und die gegossene Komponente 2 formschlüssig miteinander verbunden sind. Zusätzlich kann das Strukturelement 3 beispielsweise durch Schrumpfung des Gusswerkstoffes, beispielsweise durch Schrumpfung von Aluminium, auch reibschlüssig oder kraftschlüssig mit der gegossenen Komponente 2 verbunden sein.
• Das Verbundgussteil 1 wird durch folgend beschriebenes Verfahren hergestellt, wobei die genannten Verfahrensschritte nicht unbedingt in der Reihenfolge ihrer Nennung durchgeführt werden müssen. Das Strukturelement 3 wird in einem generativen Fertigungsverfahren hergestellt, in dem auch die Oberflächenstruktur 4 erzeugt wird, und zwar durch ein Pulverbettverfahren, wobei das Pulverbettverfahren bevorzugt Selektives Lasersintern, Selektives Laserschmelzen, Selective Heat-Sintering, Selektives Elektronenstrahlschmelzen oder Blinder Jetting ist. Eine Gussform wird bereitgestellt und das generativ gefertigte Strukturelement 3 in der Gussform angeordnet. Die Gussform wird unter hohem Druck mit dem genannten metallischen Gusswerkstoff gefüllt und formt so die gegossene Komponente 2. Der Gusswerkstoff dringt dabei in die Vertiefungen 5 der Oberflächenstruktur 4 des generativ gefertigten Strukturelements 3 ein. Der Gusswerkstoff härtet anschließend aus und erstarrt in seiner Form, sodass das generativ gefertigte Strukturelement 3 eine formschlüssige Verbindung mit der gegossenen Komponente 2 bildet, mit der zusammen er das Verbundgussteil bildet.
• 1c zeigt eine offene Oberflächenstrukturierung mit einer Gitterstruktur. Die Vertiefungen sind zwischen gitterförmig angeordneten Stegen oder Graten gebildet, wodurch eine große Oberfläche der Oberflächenstruktur geschaffen wird, die von Gusswerkstoff umschlossen werden kann.
• 1d zeigt eine als porös gradierte Oberflächenschicht ausgebildete Oberflächenstrukturierung. Die Vertiefungen sind dabei als Poren ausgebildet, die vorzugsweise einen Porendurchmesser von mindestens 0,02 mm aufweisen, sodass sie von dem Gussmaterial gut infiltriert werden können. Die Porosität weißt senkrecht zur Oberfläche des Strukturelements einen Gradienten auf, der für verschiedene Anwendungen nach Bedarf angepasst werden kann. Die Porosität reicht vorzugsweise mindestens 0,1 mm ins Innere des Bauteils. Die 2a, 2b und 2c zeigen das als Gewindeträger ausgeführte Strukturelement 3 in verschiedenen Ansichten. Die 2a zeigt den Gewindeträger 12 in perspektivischer Ansicht, die 2b zeigt eine Seitenansicht des Gewindeträgers, und 2c zeigt einen Querschnitt des Gewindeträgers. Hier ist gut zu erkennen, wie die Vorsprünge 8 an einer Wand 9 des Innengewindes 7 entlang einer spiralförmigen Linie angeordnet sind, die den Verlauf der Gewindebahn vorgibt. Die Vorsprünge 8 sind zu einem Ende des Innengewindes 7 geneigt, sodass ein komplementäres Gewinde, typischerweise ein Außengewinde, unter elastischer Verformung der Vorsprünge 8 aufgesteckt werden kann. Das Strukturelement 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel zylinderförmig, kann jedoch auch eine andere äußere Form aufweisen. Ein solcher Gewindeträger kann auch unabhängig von den Merkmalen eines generativ gefertigten Verbundgussteils realisiert werden.
• 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. In diesem Beispiel ist das Strukturelement eine generativ gefertigte Kühlstruktur 13 mit einem Kanal 14 für ein Kühlfluid. Die äußere Oberfläche der Kühlstruktur 13 weist eine Oberflächenstruktur 4 mit Vertiefungen auf (die Vertiefungen sind der Übersichtlichkeit halber in 3 nicht illustriert). Der Gusswerkstoff der gegossenen Komponente 2 (vgl. 1, die gegossene Komponente 2 ist in 3 nicht dargestellt) kann in die Vertiefungen der Oberflächenstruktur 4 eindringen, sodass eine formschlüssige Verbindung zwischen der Kühlstruktur 13 und der gegossenen Komponente 2 zustande kommt. Zudem weist die Oberflächenstruktur 4 durch die Vertiefungen eine größere Oberfläche auf, als eine glatte Oberfläche. Dies hat den Vorteil, dass die Wärmeabfuhr verbessert wird. Die Kühlstruktur 13 ist durch Innenverstrebungen verstärkt. Von diesen Innenverstrebungen ist in 3 eine horizontale Strebe 15 und eine vertikale Strebe 16 dargestellt, die im Inneren des Kanals 14 angeordnet sind, sowie eine Schar von Streben 17, die eine Kanalwand 18 der Kühlstruktur 13 verstärken. Durch die generative Fertigung der Kühlstruktur 13 kann eine Form der Innenverstrebungen beliebig variieren und an die zu erwartenden Belastungen angepasst werden. Die gegossene Komponente 2 kann auch in diesem Fall durch ein Druckgussverfahren gebildet werden, beispielsweise durch Aluminiumdruckguss. Im Inneren des Kanals 14 kann eine Oberfläche Zapfen 19 aufweisen, die die Oberflächengröße des Kanals 14 erhöht und somit die Wärmeabfuhr verbessert. Die Oberfläche im Inneren des Kanals kann stattdessen oedr zusätzlich sogenannte Ribblet-Strukturen 20 aufweisen, die bei einem Durchfließen des Kanals 14 mit einem Fluid den Strömungswiderstand reduzieren können.
• Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, und zwar ein als Verbundgussteil ausgebildetes Common-Rail-System 21 mit einer gegossenen Komponente 2 und einem Strukturelement 3. Das Strukturelement 3 ist in diesem Fall ein Common-Rail-Druckspeicher. Das Strukturelement 3 weist auch in diesem Ausführungsbeispiel eine Oberflächenstruktur 4 mit Vertiefungen 5 auf (graphische Darstellung der Vertiefungen vgl. bspw. 1, die Vertiefungen sind in 4 nicht dargestellt). In die Vertiefungen 5 ist Gusswerkstoff der gegossenen Komponente 2 eingedrungen und die gegossene Komponente 2 und das Strukturelement 3 sind formschlüssig verbunden. Die gegossene Komponente 2 ist aus Aluminium und druckgegossen, d.h. das Aluminium wurde bei einem Ausgießen einer Gussform mit einem Druck von beispielsweise 60 MPa beaufschlagt. Die gegossene Komponente 2 weist auch Anbindungselemente 22 zum Befestigen des Verbundgussteils auf. Zu erkennen sind in 4 auch vier Anschlüsse 23 für Hochdruckleitungen, die zu vier Einspritzdüsen führen. Das Strukturelement 3 weist Innenverstrebungen 24 auf, die dem Common-Rail-Druckspeicher die nötige Stabilität verleihen, um dem Druck beim Herstellen der gegossenen Komponente 2 und später hohe Kraftstoffdrücke auszuhalten. Das Strukturelement 3 ist beispielsweise aus Edelstahl, vorzugsweise aus einem AFP-Stahl, insbesondere vorzugsweise 38MnSiVS5.
• Die 5a und 5b zeigen ein anderes Strukturelement 3, dessen Oberfläche eine Oberflächenstruktur 4 mit Vertiefungen 5 aufweist. Das Strukturelement 3 kann beispielsweise in einem Motorkolben als Kühlkanal dienen. Das Strukturelement 3 ist aus Edelstahl und generativ mittels Selektivem Laserschmelzen gefertigt. Die 5a zeigt eine perspektivische Ansicht des Strukturelements 3 und die 5b einen Querschnitt durch das Strukturelement 3. In 5b ist ersichtlich, dass die Wand 25 des Strukturelements 3 durch eine Innenverstrebung 24 verstärkt ist. Das Strukturelement weist einen Hohlraum 26 auf, der als Kühlkanal dienen kann.
• 6a zeigt eine Seitenansicht der zwei Hälften 3‘, 3‘‘ eines aus zwei Hälften gefertigten Strukturelements 3. Die Fertigung aus zwei Hälften hat praktische Vorteile bei der generativen Fertigung. Die Festigkeit des Verbundgussteils wird durch das Eingießen gewährleistet. Die beiden Hälften können, wie in 6a illustriert, entlang des Pfeils ineinander gesteckt werden.
• 6b zeigt die zwei Hälften 3‘, 3‘‘ eines Strukturelementes wie in 6a in einer Draufsicht. Dabei ist die Steckverbindung erkennbar, die aus Aussparungen 27‘ und komplementären Spunden 27 aufgebaut ist, wobei die hier gezeigten Aussparungen und Spunde T-förmig sind. Andere Ausgestaltungen wie zum Beispiel Schwalbenschwanzförmige Ausführungen oder einfache Nut-Feder-Verbindungen sind ebenfalls möglich.
• 7 zeigt einen Ausschnitt eines Strukturelements 3 und eines Bauteils 28 mit komplementärem Gewinde 29, wobei ein elastischer Vorsprung 8 an einer Wand 9 des Strukturelements 3 angebracht ist und eine Neigung in Einsteckrichtung 41, also in Richtung zum Ende 7‘ des Gewindes 7, aufweist. Der Neigewinkel 12 des Vorsprungs 8 gegenüber der Flächennormalen zur Wand 9 beträgt dabei bevorzugt zwischen 30° und 50°, besonders bevorzugt zwischen 30° und 40°. Der Übergangsbereich von Vorsprung 8 zu Wand 9 wird in einer vergrößerten Ansicht gezeigt, sodass der Ansatz 30 des Vorsprungs 8 zu sehen ist. Zur Vermeidung von Kerbspannungen oder plastischen Verformungen oder um Brüche in der Nähe des Ansatzes 30 oder am Ansatz 30 zu vermeiden, weist der Vorsprung 8 in der Nähe des Ansatzes 30 eine Querschnittvergrößerung 31 auf. In der Figur ist eine Querschnittvergrößerung gezeigt, die durch eine Aneinanderreihung gleichschenkliger Dreiecke 31‘ angenähert werden kann, wie in der Methode der Zugdreiecke beschrieben. Das komplementäre Gewinde 29 weist eine erste Gewindeflanke 29‘ und eine zweite Gewindeflanke 29‘‘ auf. Der Geometrieverlauf 33 des Vorsprungs 8 weist eine Biegung 34 auf, die so ausgestaltet ist, dass ein Ende 38 des Vorsprungs 8 in Einsteckrichtung 41 zum Ende 7‘ des Gewindes 7 hin abgebogen ist und an einer ersten Kontaktstelle 35‘ Kontakt zu der ersten Gewindeflanke 29‘ hat. Ferner ist die Biegung 34 so gestaltet, dass der Vorsprung 8 an einer zweiten Kontaktstelle 35‘‘ Kontakt zu der zweiten Gewindeflanke 29‘‘ aufweist. Der Neigewinkels 32 kann mit 30° so gewählt sein, dass der Vorsprung 8 an der zweiten Kontaktstelle 35‘‘ an der zweiten Gewindeflanke 29‘‘ eines ISO Regelgewindes anliegt.
• 8 zeigt einen Ausschnitt wie in 7, wobei hier der elastische Vorsprung 8 innerhalb einer Höhlung 36 angebracht ist, sodass das Ende 38 des Vorsprungs 8 über die Wand 9 hinausragt. Die Höhlung 36 ist so geformt und der Vorsprung 8 so angeordnet, dass beim Aufstecken des Bauteils mit komplementärem Gewinde 28 in Steckrichtung 41 der elastische Vorsprung 8 auf voller Länge elastisch verformt werden kann, beim Ziehen entgegen der Steckrichtung 41 jedoch ein Teil des elastische Vorsprungs 8 an einer oberen Begrenzung 37 der Höhlung 36 anschlägt, wodurch ein Herausziehen des Bauteils 28 mit komplementärem Gewinde 29 entgegen der Steckrichtung 41 verhindert oder erschwert werden soll. Ferner kann durch die Anordnung des Vorsprungs 8 innerhalb einer Höhlung 36 der Spalt 42 zwischen der Wand 9 und dem Bauteil 28 mit komplementärem Gewinde 29 minimiert werden, wodurch der Bauraum reduziert und das Eindringen von Verschmutzungen oder Staub verhindert werden kann.
• 9 zeigt einen elastischen Vorsprung 8 mit einer Längsrippe 39 in einer Seitenansicht und einer Draufsicht. In der Seitenansicht ist zu sehen, dass der elastische Vorsprung wie in den 7 und 8 gezeigt mit der ersten und der zweiten Gewindeflanke 29‘, 29‘‘ des komplementäre Gewindes 29 Kontakt haben können. Die Längsrippe 39 ist in der Draufsicht erkennbar und erstreckt sich entlang der gesamten Länge des Vorsprungs 8 bis zum Ende 38 des Vorsprungs und dient zum Beispiel zur Versteifung des Vorsprungs 8, wobei insbesondere die Verformung entgegen der Steckrichtung 41 erschwert und die Verformung in Steckrichtung 41 weiter ermöglicht wird.
• 10 zeigt eine Konfiguration wie in 9, wobei der elastische Vorsprung 8 hier eine Wölbung 40 aufweist, die die Verformung entgegen der Steckrichtung 41 erschwert und die Verformung in Steckrichtung 41 weiter ermöglicht.
• Bezugszeichenliste

1

Verbundgussteil

2

Gegossene Komponente

3

Strukturelement

3‘

Erste Strukturelementhälfte

3‘‘

Zweite Strukturelementhälfte

4

Oberflächenstruktur

5

Vertiefungen

6

Stege

7

Gewinde

7‘

Ende des Gewindes

8

Vorsprünge

9

Wand des Gewindes

10

Gewindeachse

11

Übergangsbereich Strukturelement/gegossene Komponente

12

Porenstruktur

13

Kühlstruktur

14

Kanal für Kühlfluid

15

Horizontale Strebe

16

Vertikale Strebe

17

Schar von Streben

18

Kanalwand der Kühlstruktur

19

Zapfen

20

Ribblet-Strukturen

21

Common-Rail-System

22

Anbindungselemente

23

Anschlüsse für Hochdruckleitungen

24

Innenverstrebungen

25

Wand des Strukturelements

26

Hohlraum

27‘

Stecksystem

27‘‘

Stecksystem

28

Bauteil mit komplementärem Gewinde

29

Komplementäres Gewinde

29‘

Erste Gewindeflanke des komplementären Gewindes

29‘‘

Zweite Gewindeflanke des komplementären Gewindes

30

Ansatz des Vorsprungs

31

Querschnittsvergrößerung in der Nähe des Ansatzes

31‘

Zugdreieck

32

Neigewinkel des Vorsprungs

33

Geometrieverlauf des Vorsprungs

34

Biegung des Vorsprungs

35‘

Erste Kontaktstelle zwischen Vorsprung und oberer Gewindeflanke des komplementären Gewindes

35‘‘

Zweite Kontaktstelle zwischen Vorsprung und unterer Gewindeflanke des komplementären Gewindes

36

Höhlung in der Wand des Gewindes

37

Begrenzung der Höhlung

38

Ende des Vorsprungs

39

Längsrippe des Vorsprungs

40

Wölbung des Vorsprungs

41

Steckrichtung in Richtung des Endes des Gewindes

42

Spalt zwischen Wand des Strukturelements und komplementärem Bauteil

• 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 102014206088 A1 [0003, 0011]

Claims (17)

1. Verbundgussteil mit einer gegossenen Komponente (2) und einem metallischen Strukturelement (3), wobei die gegossene Komponente (2) aus einem metallischen Gusswerkstoff gebildet ist, wobei das Strukturelement (3) zumindest bereichsweise formschlüssig mit dem Gusswerkstoff verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (3) ein generativ gefertigtes Strukturelement (3) ist, das eine Oberflächenstruktur (4) mit Vertiefungen (5) aufweist, in die der Gusswerkstoff eingedrungen ist.
2. Verbundgussteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (3) ein Gewindeträger oder eine Kühlstruktur ein Common-Rail-Druckspeicher ist und/oder einen von einer Wand des Strukturelements (3) begrenzten Kanal oder Hohlraum aufweist, dessen Wand durch mindestens eine innerhalb des Kanals bzw. Hohlraums gebildete Strebe versteift ist.
3. Verbundgussteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusswerkstoff Aluminium oder Zink oder Magnesium ist oder enthält.
4. Verbundgussteil nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gegossene Komponente ein Druckgussteil ist.
5. Verbundgussteil nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement in einem Pulverbettverfahren hergestellt ist.
6. Verbundgussteil nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (3) aus Stahl oder einem anderen Metall gefertigt ist.
7. Verbundgussteil nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5) eine Tiefe von mindestens 0,1 mm und/oder höchstens 2 mm aufweisen und/oder jeweils eine laterale Ausdehnung von mindestens 0,2 mm und/oder höchstens 5 mm haben.
8. Verbundgussteil nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (4) eine gradierte Randschicht aufweist.
9. Verbundgussteil nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement ein Gewinde aufweist, wobei ein Gewindegang dieses Gewindes gebildet ist durch elastische Vorsprünge (8), die an einer Wand des Gewindes entlang einer spiralförmigen, einen Verlauf der Gewindebahn vorgebenden Linie angeordnet sind und die zu einem Ende (7‘) des Gewindes (7) hin geneigt sind, um ein Aufstecken eines komplementären Gewindes unter elastischer Verformung der Vorsprünge (8) zu erlauben.
10. Verbundgussteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (9) des Gewindes (7) Höhlungen (36) aufweist, in denen jeweils ein Ansatz (30) mindestens eines der elastischen Vorsprünge (8) angeordnet ist, sodass Enden (38) der elastischen Vorsprünge (8) aus den Höhlungen herausragen, wobei die Höhlungen (36) so geformt und die Vorsprünge (8) so angeordnet sind, dass die elastischen Vorsprünge (8) zum Ende (7‘) des Gewindes (7) hin auf voller Länge verformbar sind, während Begrenzungen (37) der Höhlungen (36) Anschläge für die Vorsprünge (8) bilden, die eine Verformung der Vorsprünge (8) in entgegengesetzte Richtung behindern.
11. Verbundgussteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Vorsprünge (8) jeweils an ihrem Ansatz (30) um einen Neigewinkel (32) von zwischen 30° und 50° gegenüber einer Flächennormalen der Wand (9) zum Ende (7‘) des Gewindes (7) hin geneigt sind und/oder die elastischen Vorsprünge einen Knick oder eine Biegung (34) aufweisen, sodass die Enden (38) der Vorsprünge (8) zum Ende (7‘) des Gewindes (7) hin abgeknickt oder gebogen geformt sind.
12. System, umfassend ein Verbundgussteil nach einem der Ansprüche 10 oder 11 und ein damit verbundenes Bauteil (28) mit einem zu dem Gewinde (7) des Verbundgussteils komplementären Gewinde (29), dadurch gekennzeichnet, dass die die Enden (38) der elastischen Vorsprünge (8) mit einer ersten Gewindeflanke (29‘‘) des komplementären Gewindes (29) in Kontakt stehen und/oder die elastischen Vorsprünge (8) in einem Bereich zwischen dem Ansatz (30) und dem Ende (38) des jeweiligen Vorsprungs (8) mit einer zweiten Gewindeflanke (29‘‘) des komplementären Gewindes (29) in Kontakt stehen.
13. Verfahren zum Herstellen eines Verbundgussteils, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: – Bereitstellen einer Gussform, – Bereitstellen eines generativ gefertigten Strukturelements (3), das eine Oberflächenstruktur (4) mit Vertiefungen (5) aufweist, – Anordnen des generativ gefertigten Strukturelements (3) in der Gussform, – Ausgießen der Gussform mit einem metallischen Gusswerkstoff zum Formen einer gegossenen Komponente (2), sodass der metallische Gusswerkstoff zumindest teilweise in die Vertiefungen (5) des generativ gefertigten Strukturelements (3) eindringt, – Aushärten des metallischen Gusswerkstoffes, sodass das generativ gefertigte Strukturelement (3) eine formschlüssige Verbindung mit der gegossenen Komponente (2) und zusammen mit dieser das Verbundgussteil bildet.
14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt Bereitstellen eines generativ gefertigten Strukturelements (3) ein Herstellen des Strukturelementes (3) in einem generativen Fertigungsverfahren umfasst.
15. Verfahren nach einem der Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das generative Fertigungsverfahren ein Pulverbettverfahren ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gegossene Komponente (2) in einem Druckgussverfahren hergestellt wird.
17. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 13 zur Herstellung eines Verbundgussteils nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

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