DE102018127774A1

DE102018127774A1 - Bauteil sowie Verfahren zum Herstellen eines Bauteils

Info

Publication number: DE102018127774A1
Application number: DE102018127774.1A
Authority: DE
Inventors: Manuel Anasenzl; Andre Hoevelmeyer; Dominik Schittenhelm
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2020-05-07
Also published as: US20210404067A1; WO2020094464A1; CN112639166A

Abstract

Bauteil, umfassend zumindest eine Tasche, wobei die zumindest eine Tasche bei der Herstellung des Bauteils und/oder nachträglich geformt ist, und wobei die zumindest eine Tasche zumindest teilweise mit einem Beschichtungswerkstoff gefüllt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil, wie beispielsweise ein Gussbauteil, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines, insbesondere verstärkten, Bauteils.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Bauteile bzw. Werkstücke lokal oder bereichsweise durch das Aufbringen einer Beschichtung, beispielsweise mittels eines thermischen Spritzverfahrens, zu beschichten, insbesondere mechanisch zu verstärken. Die DE 10 2012 020 814 A1 lehrt in diesem Zusammenhang beispielsweise ein Verfahren zum Aufbringen eines Zusatzwerkstoffs auf ein Werkstück mittels Kaltgasspritzen, wobei auf die Oberfläche des Werkstücks ein Zusatzwerkstoff in Form von Erhebungen stoffschlüssig aufgebracht wird. Das Verfahren zielt insbesondere darauf ab, Teilflächen mittels Kaltgasspritzen aufzutragen, um das Werkstück lokal zu versteifen und dadurch seine mechanische Belastbarkeit zu vergrößern. Derartige Erhebungen stören aber unter Umständen den Verbau oder Einbau bzw. die Weiterverarbeitung der Werkstücke und sind zudem sehr stoßempfindlich.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, derart lokal verstärkte Bauteile weiterzuentwickeln und insbesondere ein prozesssicheres Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Erfindungsgemäß umfasst ein Bauteil zumindest eine Tasche, wobei die zumindest eine Tasche bei der Herstellung des Bauteils oder nachträglich geformt ist, und wobei die zumindest eine Tasche zumindest teil- und/oder bereichsweise mit einem Beschichtungswerkstoff aufgefüllt oder gefüllt ist, mit anderen Worten durch ein Beschichtungsverfahren mit Material aufgefüllt ist. Bei der zumindest einen Tasche handelt es sich insbesondere um eine Materialausnehmung, eine Materialeinsparung oder um eine Materialrücknahme, insbesondere um eine zumindest bereichs- oder abschnittsweise Verringerung einer Wandstärke des Bauteils, wobei diese Verringerung ganz oder zumindest teilweise durch den Beschichtungswerkstoff wieder aufgefüllt ist. Mit Vorteil entsteht zumindest beim vollständigen Auffüllen der Tasche eine glatte bzw. gleichmäßige Oberfläche, welche zum einen gut weiterverarbeitet werden kann und zum anderen auch optisch ansprechend ist. Zudem ist der in die Tasche eingebrachte Werkstoff durch seine Einbettung automatisch „geschützt“, insbesondere beispielsweise vor Stößen, welche ansonsten leicht zu Abplatzungen der mittels des Beschichtungsverfahrens aufgebrachten Schicht führen würden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Beschichtungsverfahren um ein thermisches Beschichtungsverfahren. Bevorzugt handelt es sich bei dem Beschichtungsverfahren um Kaltgasspritzen, wobei es sich dabei um ein Verfahren handelt, bei dem der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Trägermaterial aufgebracht wird. Dazu wird ein auf wenige hundert Grad aufgeheiztes Prozessgas, wie beispielsweise Stickstoff oder Helium, durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend die Pulverpartikel in den Gasstrahl injiziert. Die injizierten Spritzpartikel werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und festhaftende Schicht bilden. Die Vorteile des Kaltgasspritzens gegenüber anderen thermischen Spritzverfahren sind im Stand der Technik schon vielfach beschrieben, sodass vorliegend darauf verzichtet wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die zumindest eine Tasche mechanisch eingebracht, insbesondere mittels Fräsen. Hierdurch lassen sich schnell und sehr präzise die verschiedensten Taschengeometrien erzeugen. Allgemein sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Taschen die unterschiedlichste Größe oder Form aufweisen können. Vorteilhafterweise ergibt sich die Form der Taschen aus einer Topologieoptimierung. Mit Vorteil wird das Bauteil in der Simulation belastet, um zu ermitteln, an welchen Stellen vorteilhafterweise Taschen bzw. lokale Verstärkungsbereiche vorgesehen sein sollen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die zumindest eine Tasche beim Gießen des Bauteils bereits aus- oder zumindest vorgeformt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Bauteil um ein Gussbauteil. Der große Vorteil besteht hierbei darin, dass die Tasche nicht nur zur lokalen Steifigkeits- oder Festigkeitserhöhung beitragen kann, sondem auch gezielt die Gussqualität verbessert, da über die Tasche bzw. auch deren Dimension eine Wanddicke des Bauteils variiert bzw. angepasst werden kann. Auf diese Weise können beispielsweise gezielt Erstarrungsporositäten im Bauteil vermieden werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die zumindest eine Tasche vollständig mit dem Beschichtungswerkstoff gefüllt. Zweckmäßigerweise ergibt sich also nach dem Auffüllen mit dem Beschichtungswerkstoff eine gleichmäßige, glatte bzw. stufenlose Oberfläche. Durch diese Einbettung ist der Beschichtungswerkstoff bestmöglich geschützt. Zudem ist eine Nacharbeit des Bauteils durch die gleichmäßige Oberfläche erleichtert. Eine derartige Nacharbeit kann beispielsweise ein Abschleifen oder Lackieren umfassen, um eine bestimmte Oberflächenqualität zu erzeugen.
Die Tasche als solche weist in der Regel einen Boden und einen zumindest bereichsweise umlaufenden Randbereich auf. Der Boden kann dabei sowohl glatt bzw. eben ausgebildet sein als auch eine Struktur aufweisen, um beispielsweise das Anhaften des Beschichtungswerkstoffs zu optimieren. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Struktur Vor- und/oder Rücksprünge, Rillen, Riefen, Stege und dergleichen. Der vorgenannte Rand kann zum Boden senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht aber auch geneigt stehen, um quasi ein Auslaufen bzw. einen weichen Übergang des Beschichtungswerkstoffs in das umgebende Material zu ermöglichen, wodurch Steifigkeitssprünge im Bauteil reduziert werden können. Der Randbereich kann auch derart geneigt stehen, dass ein oder mehrere Hinterschnitte erzeugt werden. Der Boden als solches kann ebenfalls geneigt oder schräg verlaufen und quasi in den Rand bzw. in die Randbereiche übergehen, wobei sich die Ausdrücke „geneigt“ bzw. „schräg“ auf eine Oberfläche des Bauteils im entsprechenden Bereich beziehen.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt eine Restwandstärke des Bauteils im Bereich der zumindest einen Tasche zumindest 1 mm oder zumindest 1,5 mm. Mit Vorteil orientieren sich die (minimalen) Wandstärken an den verwendeten Gießverfahren, wobei als bevorzugte Verfahren vorliegend der Druck-, Schwerkraft- oder der Niederdruckguss zu nennen sind. Alternativ kann es sich bei dem Bauteil aber auch um ein Umformteil bzw. um jedes beliebig andere Werkstück handeln, welches Taschen aufweist oder in welches Taschen einbringbar sind.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Werkstoff des Bauteils aus einem geeigneten nicht-metallischen Werkstoff.
Gemäß einer Ausführungsform weist die zumindest eine Tasche eine Tiefe von zumindest 0,1 mm auf, bevorzugt von zumindest 0,5 mm. Vorteilhafterweise kann das Bauteil eine Vielzahl von belastungsgerecht verteilten Taschen aufweisen. Dabei kann deren Tiefe gleich oder insbesondere auch unterschiedlich sein, was eine sehr individuelle Anpassung an die verschiedensten Belastungsfälle ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Tiefe der Tasche konstant oder im Wesentlichen konstant. Alternativ kann gemäß einer Ausführungsform eine Tiefe der Tasche auch unterschiedlich ausgebildet sein. Allgemein ermöglicht ein derartiges Bauteil eine sehr belastungsgerechte Auslegung.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines, insbesondere verstärkten, Bauteils, umfassend die Schritte:

- Abschnittsweise Materialwegnahme oder -Einsparung an einem Bauteil zum Herstellen oder Formen einer Tasche bei oder nach dem Formen des Bauteils;
- Füllen der zumindest einen Tasche durch ein Beschichtungsverfahren mit Material bzw. Beschichtungswerkstoff.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Beschichtungsverfahren um Kaltgasspritzen. Die im Zusammenhang mit dem Bauteil erwähnten Vorteile und Merkmale gelten entsprechend für das Verfahren sowie umgekehrt. Bei dem Beschichtungswerkstoff handelt es sich gemäß einer Ausführungsform um einen eisenbasierten Werkstoff. Grundsätzlich sind die verschiedensten Werkstoffe geeignet.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Flächiges Bearbeiten einer Oberfläche des Bauteils über die - mit Beschichtungswerkstoff gefüllte - Tasche hinweg.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Bauteil um ein Fahrwerks- oder Strukturbauteil, wie es beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt wird. Bevorzugt handelt es sich um ein Druckgussbauteil, beispielsweise aus Aluminium.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von skizzenhaften Ausführungsformen eines Bauteils mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Es zeigen:

1: eine schematische perspektivische Skizze einer Ausführungsform eines Bauteils mit einer Tasche;
2: eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Bauteils mit einer Tasche.

1 zeigt ein Bauteil 10, umfassend eine Tasche 20, welche einen Boden 22 und einen Rand 24 umfasst. Die Tasche 20 ist beispielsweise bereits beim Gießen des Bauteils 10 ausgeformt oder zumindest vorgeformt worden. Zusätzlich oder alternativ kann die Tasche 20 aber auch beispielsweise mittels Fräsen erzeugt werden. Die Tasche 20 wird nun vorteilhafterweise mittels eines Beschichtungsverfahrens, bevorzugt Kaltgasspritzen, mit einem Beschichtungswerkstoff aufgefüllt, ganz oder zumindest teilweise, bevorzugt aber oberflächenbündig mit dem Bauteil 10.
2 zeigt nun in einer weiteren skizzenhaften Darstellung eine Schnittansicht eines Bauteils 10, wobei hier eine Tasche 20 zu sehen ist, welche mit Material- bzw. Beschichtungswerkstoff 30 gefüllt ist. Eine Form der Tasche 20 ist hier so gewählt, dass deren Boden 22 zu einer Oberfläche des Bauteils 10 hin geneigt ist und ausläuft. Durch eine derartige Geometrie der Tasche 20 können beispielsweise Steifigkeitssprünge im Bauteil 10 vermieden werden etc.
Bezugszeichenliste

10: Bauteil
20: Tasche
22: Boden
24: Rand
30: Beschichtungswerkstoff, Material

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012020814 A1 [0002]

Claims

Bauteil (10), umfassend zumindest eine Tasche (20), wobei die zumindest eine Tasche (20) bei der Herstellung des Bauteils (10) und/oder nachträglich geformt ist, und wobei die zumindest eine Tasche (20) zumindest teilweise mit einem Beschichtungswerkstoff (30) gefüllt ist.
Bauteil (10) nach Anspruch 1, wobei das Beschichtungsverfahren Kaltgasspritzen ist.
Bauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine Tasche (20) mechanisch eingebracht ist, insbesondere mittels Fräsen.
Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Tasche (20) beim Gießen des Bauteils (10) ausgeformt ist.
Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Tasche (20) vollständig mit dem Beschichtungswerkstoff (30) gefüllt ist.
Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Restwandstärke des Bauteils (10) im Bereich der zumindest einen Tasche (20) zumindest 1 mm beträgt.
Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Tasche (20) eine Tiefe von zumindest 0,1 mm aufweist.
Bauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Tiefe der Tasche (20) konstant ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, umfassend die Schritte: - Abschnittsweise Materialwegnahme oder -Einsparung an einem Bauteil (10) zum Herstellen oder Formen einer Tasche (20) bei oder nach dem Formen des Bauteils (10); - Füllen der zumindest einen Tasche (20) durch ein Beschichtungsverfahren mit Beschichtungswerkstoff (30).
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend den Schritt: - Flächiges Bearbeiten einer Oberfläche des Bauteils (10) über die Tasche (20) hinweg.