DE102018208072A1

DE102018208072A1 - Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur

Info

Publication number: DE102018208072A1
Application number: DE102018208072.0A
Authority: DE
Inventors: Lukas Knorr; Martin Friedrich
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2019-11-28

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur (1), welche ein erstes Verbundstrukturelement (2) und ein mit diesem zumindest abschnittsweise verbundenes zweites Verbundstrukturelement (3) umfasst, umfassend die folgenden Schritte:- Ausbilden des ersten Verbundstrukturelements (2) durch einen additiven Aufbauvorgang aus einem additiv aufbaubaren Material,- Ausbilden des zweiten Verbundstrukturelements (3) durch einen Schäumvorgang aus einem schäumbaren Material, wobei das zweite Verbundstrukturelement (3) zumindest abschnittsweise, gegebenenfalls vollständig, unter Ausbildung der Verbundstruktur (1) mit dem ersten Verbundstrukturelement (2) verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur, welche ein erstes Verbundstrukturelement und ein mit diesem zumindest abschnittsweise verbundenes zweites Verbundstrukturelement umfasst.
Verbundstrukturen, welche ein erstes Verbundstrukturelement und ein mit diesem zumindest abschnittsweise verbundenes zweites Verbundstrukturelement umfassen, bzw. durch entsprechende Verbundstrukturen gebildete oder solche umfassende Verbundstrukturbauteile sind aus dem Stand der Technik, d. h. insbesondere dem Bereich der Kraftfahrzeugtechnik, in einer Vielzahl an unterschiedlichen Ausführungen bekannt.
Entsprechend sind auch Verfahren zur Herstellung entsprechender Verbundstrukturen aus dem Stand der Technik in einer Vielzahl an unterschiedlichen Ausführungen bekannt.
Dabei stellt die Realisierung von stabilen und im Hinblick auf ihre strukturellen Eigenschaften, d. h. insbesondere ihre mechanischen Eigenschaften respektive ihr mechanisches Verhalten, möglichst anforderungs- bzw. bedarfsgerecht, d. h. z. B. anisotrop oder isotrop, ausgeführten Verbunden zwischen den Verbundstrukturelementen entsprechender Verbundstrukturen bisweilen eine, insbesondere fertigungstechnische, Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere für den Fall, in dem durch Schäumen gebildete, d. h. geschäumte, Verbundstrukturelemente mit nicht geschäumten Verbundstrukturelementen zur Ausbildung von Verbundstrukturen verbunden werden sollen.
Auch die Realisierung von funktionell hochintegrierten Verbundstrukturen stellt eine Herausforderung dar, als die Integration von Funktionselementen in Verbundstrukturen mit bekannten fertigungstechnischen Ansätzen regelmäßig aufwändig und komplex ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur, welche ein erstes Verbundstrukturelement und ein mit diesem zumindest abschnittsweise verbundenes zweites Verbundstrukturelement umfasst, anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur, welche ein erstes Verbundstrukturelement und ein mit diesem zumindest abschnittsweise verbundenes zweites Verbundstrukturelement umfasst, gemäß Anspruch 1 gelöst. Die hierzu abhängigen Ansprüche betreffen mögliche Ausführungsformen des Verfahrens.
Das hierin beschriebene Verfahren dient zur Herstellung einer Verbundstruktur, welche wenigstens ein erstes Verbundstrukturelement und wenigstens ein mit diesem zumindest abschnittsweise, gegebenenfalls vollständig, verbundenes zweites Verbundstrukturelement umfasst. Vermittels des Verfahrens lassen sich sonach mehrere Verbundstrukturelemente, d. h. insbesondere mehrere unterschiedliche Verbundstrukturelemente, umfassende Verbundstrukturen herstellen. Die Verbundstrukturelemente einer verfahrensgemäß herstellbaren bzw. hergestellten Verbundstruktur können sich beispielsweise in wenigstens einem deren jeweilige strukturelle Eigenschaften definierenden chemischen und/oder physikalischen Parameter unterscheiden. Konkret können sich die Verbundstrukturelemente einer verfahrensgemäß herstellbaren bzw. hergestellten Verbundstruktur z. B. in deren jeweiliger Materialität, Dichte, Festigkeit, etc. unterscheiden. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass sich die Verbundstrukturelemente einer verfahrensgemäß herstellbaren bzw. hergestellten Verbundstruktur in wenigstens einem geometrisch-konstruktiven Parameter unterscheiden. Beispielsweise ist es denkbar, dass sich entsprechende Verbundstrukturelemente zumindest abschnittsweise in ihren Anbindungsbereichen, ihrem Längen-Breiten-Verhältnis, ihrer Wandstärke, ihrer Zellstruktur (für zellulare Verbundstrukturen), ihrer Zelldichte (für zellulare Verbundstrukturelemente), ihrer Zellgröße (für zellulare Verbundstrukturelemente), etc. unterscheiden.
Selbstverständlich können Verbundstrukturelemente mit Funktionselementen, d. h. z. B., gegebenenfalls hakenartigen, Befestigungselementen, gegebenenfalls rastelementartigen, Verbindungselementen, etc. versehen sein bzw. werden. In diesem Zusammenhang sind Positionierelemente zur Positionierung von Anbauteilen (Halte-rungen, Funktionselementen, Sensoren etc.) zu erwähnen.
Bei einer verfahrensgemäß herstellbaren Verbundstruktur handelt es sich typischerweise um ein Verbundstrukturbauteil. Ein entsprechendes Verbundstrukturbauteil kann ein in einem Kraftfahrzeug bzw. einer Kraftfahrzeugkarosserie verbaubares bzw. zu verbauendes Kraftfahrzeugbauteil sein. Ein entsprechendes Kraftfahrzeugbauteil kann z. B. ein einen Teil eines Sitzes, d. h. z. B. eine Sitz- oder Lehnfläche, eines Kraftfahrzeugs bildendes Sitzbauteil sein. Die verfahrensgemäß herstellbare Verbundstruktur kann sonach insbesondere als ein in einem Kraftfahrzeug zu verbauendes Kraftfahrzeugbauteil, insbesondere als ein eine Sitz- oder Lehnfläche für einen Fahrzeuginsassen bildendes Sitzbauteil, ausgebildet werden. Denkbar ist auch eine Ausbildung als Dämmungs- oder Verkleidungsbauteil (sowohl für den Außen- als auch den Innenbereich) oder (Crash-)Absorptionsbauteil für ein Kraftfahrzeug. Überdies ist die Ausbildung so genannter „Morphing-Structure“-Bauteile für Kraftfahrzeuge, welche sich bei Belastung, z. B. aufgrund von Fahrtwind oder Temperatur, gezielt verformen, d. h. z. B. ausdehnen, und damit eine bestimmte Funktionalität bereitstellen, denkbar. Ferner ist die Ausbildung als Schutzbauteile zum Schutz von Fahrzeuginsassen sowie Schutzbauteile für Personen etwa in Form von Prothesen- bzw. Orthesenbauteilen denkbar.
Das Verfahren beinhaltet bzw. umfasst die im Folgenden beschriebenen Schritte:

In einem ersten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Ausbilden des ersten Verbundstrukturelements der herzustellenden Verbundstruktur durch einen additiven bzw. generativen Aufbauvorgang aus einem additiv bzw. generativ aufbaubaren Material. In dem ersten Schritt des Verfahrens erfolgt sonach ein Durchführen wenigstens einer Maßnahme zum additiven Aufbau des ersten Verbundstrukturelements aus einem additiv aufbaubaren Material unter Ausbildung des ersten Verbundstrukturelements. Die Maßnahme zum additiven Aufbau des ersten Verbundstrukturelements beinhaltet typischerweise eine sukzessive schichtweise selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem entsprechend selektiv verfestigbaren Baumaterial. Die selektive Verfestigung der Baumaterialschichten kann vermittels eines Energiestrahls, d. h. z. B. eines Laserstrahls, erfolgen.

Der additive Aufbau des ersten Verbundstrukturelements erfolgt auf Grundlage von die Geometrie des ersten Verbundstrukturelements beschreibenden Baudaten. Die Baudaten können im Hinblick auf eine belastungsgerechte Auslegung der Verbundstruktur erzeugt werden. Die Baudaten können konkret beispielsweise im Hinblick auf bestimmte strukturelle Eigenschaften, d. h. insbesondere mechanische Eigenschaften, wie z. B. Elastizität bzw. Viskoelastizität, Festigkeit, Steifigkeit, Energieaufnahmefähigkeit, etc., des ersten Verbundstrukturelements bzw. der Verbundstruktur erzeugt werden. Die Baudaten können ferner (auch) im Hinblick auf bestimmte akustische, optische, thermische Eigenschaften des ersten Verbundstrukturelements erzeugt werden.
Es kommen grundsätzlich sämtliche additiven Aufbauverfahren zum additiven Aufbau des ersten Verbundstrukturelements in Betracht, sodass lediglich beispielhaft auf ein selektives Lasersinterverfahren, ein selektives Laserschmelzverfahren, ein selektives Elektronenstrahlschmelzverfahren, ein Stereolithograhieverfahren oder ein Binder-Jetting-Verfahren verwiesen wird.
Der zur Ausbildung des ersten Verbundstrukturelements erforderliche additive Aufbau des ersten Verbundstrukturelements erfolgt in einer Vorrichtung zur additiven Herstellung dreidimensionaler Objekte; die konkrete Ausführung der Vorrichtung bestimmt sich nach dem konkret eingesetzten additiven Aufbauverfahren.
Die Vorrichtung zur additiven Herstellung dreidimensionaler Objekte kann gegebenenfalls einen Bestandteil einer kombinierten Fertigungsvorrichtung bilden, welche sowohl die Ausbildung des ersten als auch des zweiten Verbundstrukturelements und somit die kombinierte Ausbildung der Verbundstruktur ermöglicht.
Prinzipiell ist es alternativ oder ergänzend auch denkbar, in dem ersten Schritt des Verfahrens ein in einem zu dem hierin beschriebenen Verfahren gesonderten Verfahren additiv aufgebautes erstes Verbundstrukturelement bereitzustellen.
In einem auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Ausbilden des zweiten Verbundstrukturelements durch einen Schäumvorgang aus einem schäumbaren Material, wobei das zweite Verbundstrukturelement zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, unter Ausbildung der Verbundstruktur mit dem ersten Verbundstrukturelement verbunden wird. In dem zweiten Schritt des Verfahrens erfolgt sonach ein Durchführen wenigstens einer Maßnahme zum Schäumen eines schäumbaren Materials unter Ausbildung des zweiten Verbundstrukturelements. Die Maßnahme zum Schäumen des schäumbaren Materials beinhaltet typischerweise eine ausreichend hohe Einbringung von Energie in das schäumbare Material, welche zu einem Schäumen bzw. einem Expandieren des schäumbaren Materials und so zur Ausbildung einer, insbesondere zumindest abschnittsweise geschlossen- oder offenzelligen, Schaumstruktur führt. Bei der Energie kann es sich z. B. um thermische Energie, z. B. in Form eines entsprechend temperierten Temperiermediums, wie z. B. Dampf, und/oder um Strahlungsenergie, wie z. B. UV-Strahlung, handeln. Auch chemisch initiierte Schäumvorgänge, wie sie z. B. bei Mehrkomponenten-Schäumen möglich sind, sind denkbar. Bei dem zweiten Verbundstrukturelement handelt es sich sonach um ein durch Schäumen eines schäumbaren Materials gebildetes Schaumstrukturelement.
Der zur Ausbildung des zweiten Verbundstrukturelements erfolgende Schäumvorgang des schäumbaren Materials kann in einem einen, insbesondere temperierbaren, Werkzeuginnenraum (Werkzeugkavität) umfassenden Werkzeug durchgeführt werden. Hierzu kann insbesondere ein Schäumwerkzeug verwendet werden, welches, je nach konkreter Art des Schäumvorgangs unterschiedlich funktionalisiert ausgeführt sein kann. Beispielsweise kann ein Schäumwerkzeug mit einer Möglichkeit zum Einbringen einer zum Initiieren bzw. Steuern des Schäumvorgangs des schäumbaren Materials erforderlichen Energiemenge ausgestattet sein; dies kann z. B. durch ein Temperieren des Werkzeugs bzw. des Werkzeuginnenraums, ein Einbringen von Dampf in das Werkzeug bzw. den Werkzeuginnenraum oder ein Einbringen von Strahlungsenergie in das Werkzeug bzw. den Werkzeuginnenraum gelöst sein. Selbstverständlich ist das erste Verbundstrukturelement in einem solchen Fall in das Werkzeug bzw. in den Werkzeuginnenraum einzubringen.
Wesentlich ist, dass in dem zweiten Schritt des Verfahrens mit der Ausbildung des zweiten Verbundstrukturelements gleichermaßen, d. h. insbesondere gleichzeitig, eine zumindest abschnittsweise, gegebenenfalls vollständige, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Verbundstrukturelement und dem zweiten Verbundstrukturelement ausgebildet wird. Die Verbindung kann z. B. derart ausgebildet werden, dass das erste Verbundstrukturelement zumindest abschnittsweise, gegebenenfalls vollständig, von der Schaumstruktur des zweiten Verbundstrukturelements umgeben, mithin das erste Verbundstrukturelement zumindest abschnittsweise, gegebenenfalls vollständig, umschäumt wird. Das zweite Verbundstrukturelement kann sonach durch ein zumindest abschnittsweises, gegebenenfalls vollständiges, Umschäumen des ersten Verbundstrukturelements mit dem ersten Verbundstrukturelement verbunden werden. Das erste Verbundstrukturelement ist bedingt durch das Umschäumen typischerweise unmittelbar zumindest abschnittsweise, gegebenenfalls vollständig, von dem zweiten Verbundstrukturelement umgeben. Durch das zumindest abschnittsweise, gegebenenfalls vollständige, Umschäumen des ersten Verbundstrukturelements mit dem zweiten Verbundstrukturelement ist auch ein, insbesondere dauerhafter, Schutz des ersten Verbundstrukturelements vor äußeren Einflüssen, d. h. z. B. vor mechanischen und/oder klimatischen Belastungen, gegeben, was insbesondere für filigrane Ausführungen des ersten Verbundstrukturelements zweckmäßig sein kann. Auch ein Schutz der Umwelt vor Emission des ersten Verbundstrukturelements - dies gilt insbesondere für emissionsfähige Materialien zur Ausbildung des ersten Strukturelements - ist denkbar. Weiterhin ist z. B. auf mögliche Katalysatoranwendungen der Verbundstruktur zu verweisen.
Wenngleich typischerweise eine stabile, d. h. insbesondere unverlierbare bzw. untrennbare, Verbindung zwischen dem ersten Verbundstrukturelement und dem zweiten Verbundstrukturelement vorliegt, sind grundsätzlich auch verlierbare bzw. trennbare Verbindungen zwischen dem ersten Verbundstrukturelement und dem zweiten Verbundstrukturelement denkbar; mithin können z. B. gezielt Sollbruchbereiche ausgebildet werden, welche einer zunächst steifen Verbundstruktur wieder eine gewisse Flexibilität verleihen. Entsprechend trennbare Verbindungen zwischen dem ersten Verbundstrukturelement und dem zweiten Verbundstrukturelement können auch zur Aufnahme bzw. Absorption von Energie, d. h. z. B. Crash-Energie, dienen. Durch entsprechend trennbare bzw. untrennbare Verbindungen können im Falle von elektrisch leitfähigen Verbundstrukturelementen auch gezielt elektrisch leitfähige Strukturen innerhalb der Verbundstruktur gebildet bzw. unterbrochen werden.
Wesentlich ist ferner, dass durch den additiven Aufbau des ersten Verbundstrukturelements gezielt bestimmte, gegebenenfalls bereichsweise variierende, strukturelle Eigenschaften, d. h. insbesondere mechanische Eigenschaften, der Verbundstruktur erzeugt werden können. Insbesondere ist es möglich, gezielt ein bestimmtes, gegebenenfalls bereichsweise variierendes, Materialverhalten, d. h. z. B. ein bestimmtes auxetisches oder viskoelastisches Materialverhalten, der Verbundstruktur zu erzeugen. Auch die Erzeugung eines Formgedächtnis-Verhaltens („Memory-Effekt“) der Verbundstruktur ist denkbar.
Die beschriebene verfahrensgemäße Art bzw. Möglichkeit der Herstellung einer Verbindung zwischen dem ersten Verbundstrukturelement und dem zweiten Verbundstrukturelement durch ein Umschäumen des ersten Verbundstrukturelements stellt einen fertigungstechnisch verbesserten Ansatz zur Herstellung einer Verbundstruktur dar. Es liegt ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur vor.
Zur Ausbildung des ersten Verbundstrukturelements kommen grundsätzlich sämtliche im Rahmen eines additiven Aufbauverfahrens verarbeitbare Materialien in Betracht. Da additive Aufbauverfahren insbesondere im Zusammenhang mit Metallen und Kunststoffen weithin etabliert sind, kann das erste Verbundstrukturelement z. B. aus einem, insbesondere pulverförmigen, Metall oder einem, insbesondere pulverförmigen, Kunststoff aufgebaut werden. Auch keramische Werkstoffe sind denkbar, d. h. das erste Verbundstrukturelement kann gegebenenfalls auch aus einem, insbesondere pulverförmigen, keramischen Werkstoff aufgebaut werden. Im Allgemeinen ist jedweder im Rahmen eines additiven Aufbauverfahrens verwendbare anorganische oder organische Werkstoff denkbar. Da die strukturellen Eigenschaften, d. h. insbesondere die mechanischen Eigenschaften, der Verbundstruktur auch über die Materialwahl des ersten Verbundstrukturelements beeinflusst bzw. gesteuert werden können, bestimmt sich die Materialwahl des ersten Verbundstrukturelements typischerweise auch nach den gewünschten strukturellen Eigenschaften der Verbundstruktur.
Zur Ausbildung des zweiten Verbundstrukturelements kommen grundsätzlich sämtliche chemisch und/oder physikalisch schäumbare Materialien, insbesondere chemisch und/oder physikalisch schäumbare Metalle oder chemisch und/oder physikalisch schäumbare Kunststoffe, in Betracht. Hierunter sind beispielsweise auch schäumbare Partikelschaummaterialien bzw. Kunststoffpartikelschaummaterialien zu verstehen. Bei dem zweiten Verbundstrukturelement kann es sich sonach insbesondere um eine Metallschaum- oder um eine Kunststoffschaumstruktur, insbesondere um eine Kunststoffpartikelschaumstruktur, handeln. Da die strukturellen Eigenschaften, d. h. insbesondere die mechanischen Eigenschaften, der Verbundstruktur auch über die Materialwahl des zweiten Verbundstrukturelements beeinflusst bzw. gesteuert werden können, bestimmt sich die Materialwahl des zweiten Verbundstrukturelements typischerweise auch nach den gewünschten strukturellen Eigenschaften der Verbundstruktur.
Das zweite Verbundstrukturelement wird im Rahmen der Durchführung des Schäumvorgangs zum Schäumen des schäumbaren Materials form- und/oder stoffschlüssig mit dem ersten Verbundstrukturelement verbunden. Für eine stoffschlüssige Verbindung ist typischerweise eine gewisse chemische Ähnlichkeit bzw. Verträglichkeit zwischen dem das erste Verbundstrukturelement bildenden additive aufbaubaren Material und dem das zweite Verbundstrukturelement bildenden schäumbaren bzw. geschäumten Material erforderlich; dies kann z. B. bei chemisch ähnlichen bzw. verträglichen Metallen bzw. Kunststoffen der Fall sein. Beispielhaft wird auf die chemische Verträglichkeit zwischen, z. B. Polyolefin-basierten, Kunststoffen verwiesen. Analoges gilt selbstverständlich für andere chemisch ähnliche bzw. chemisch verträgliche Materialien bzw. Materialgruppen. Eine Verbindung kann in allen Fällen auch durch eine oberflächenaktivierende Maßnahme, d. h. z. B. eine Corona- oder Plasmabehandlung, bedingt oder begünstigt werden. In diesem Zusammenhang ist auch die Verwendung einer haftungsvermittelnden Komponente, d. h. z. B. einer haftungsvermittelnden Schicht, denkbar.
Das erste Verbundstrukturelement kann zumindest abschnittsweise mit einer mechanische Befestigungsmöglichkeiten, d. h. insbesondere Verankerungsmöglichkeiten und/oder Verhakungsmöglichkeiten, für das zweite Verbundstrukturelement bildenden Struktur ausgebildet werden. Die Ausbildung einer entsprechenden entsprechende mechanische Befestigungsmöglichkeiten für das zweite Verbundstrukturelement bildenden Struktur verbessert die mechanische Verbindung zwischen dem erste nun dem zweiten Verbundstrukturelement. Die Ausbildung einer entsprechenden entsprechende mechanische Befestigungsmöglichkeiten für das zweite Verbundstrukturelement bildenden Struktur ist durch den additiven Aufbau des ersten Verbundstrukturelements ohne Weiteres möglich; der additive Aufbau des ersten Verbundstrukturelements ermöglicht die Ausbildung unterschiedlicher zwei- oder dreidimensionaler Strukturen, d. h. z. B. Ausnehmungen, Hinterschnitte, Öffnungen, Vorsprünge, etc., welche entsprechende mechanische Befestigungsmöglichkeiten für das zweite Verbundstrukturelement bilden.
Das erste Verbundstrukturelement kann zumindest abschnittsweise, gegebenenfalls vollständig, gitterartig oder -förmig ausgebildet werden. Unter einer gitterartigen bzw. -förmigen Ausbildung des ersten Verbundstrukturelements ist insbesondere ein Aufbau des ersten Verbundstrukturelements aus einer Vielzahl an, z. B. strebenartigen bzw. -förmigen oder traversenartigen bzw. -förmigen, Gitterstrukturelementen, welche unter Ausbildung einer gitterartig bzw. -förmigen Struktur in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Muster miteinander verbunden sind, zu verstehen. Die gitterartige bzw. -förmige Ausbildung des ersten Verbundstrukturelements kann als eine entsprechende entsprechende mechanische Befestigungsmöglichkeiten für das zweite Verbundstrukturelement bildende Struktur dienen. Auch hier gilt, dass der additive Aufbau des ersten Verbundstrukturelements die Ausbildung unterschiedlicher zwei- oder dreidimensionaler Gitterstrukturen ermöglicht.
Grundsätzlich ist eine gezielte Einbringung bzw. Positionierung eines weiteren Materials bzw. einer weiteren Materialstruktur, wie z. B. Gelperlen, in die Gitterstruktur des ersten Verbundstrukturelements bzw. der Verbundstruktur denkbar. Diese weiteren Materialien bzw. Materialstrukturen können über die Gitterstruktur verteilt und während des Schäumvorgangs in gewünschter Position gehalten werden. Analoges gilt für den späteren Einsatz der Verbundstruktur in einer konkreten Anwendung.
Das erste Verbundstrukturelement kann ferner zumindest abschnittsweise, gegebenenfalls vollständig, mit federnd wirkenden stauch- und/oder dehnbaren Federelementgeometrien, d. h. z. B. zick-zack-artigen Geometrien, ausgebildet werden. Auch die Ausbildung so genannter Trennschwerter ist denkbar.
Es ist allgemein zu beachten, dass die geometrische Gestaltung des ersten Verbundstrukturelements einen Einfluss auf die Eigenschaften des zweiten Verbundstrukturelements haben können; mithin können durch die geometrische Gestaltung des ersten Verbundstrukturelements auch die Eigenschaften des zweiten Verbundstrukturelements eingestellt werden können. Beispielsweise ist an eine lokale Reduktion der Dichte, Steifigkeit, etc. zu denken.
Das erste Verbundstrukturelement kann ferner mit einem oder mehreren im Hinblick auf deren funktionelle und/oder konstruktive Ausgestaltung gleichen oder unterschiedlichen Funktionselement(en) ausgebildet werden. Auch hier gilt, dass der additive Aufbau des ersten Verbundstrukturelements die Ausbildung unterschiedlicher zwei- oder dreidimensionaler Funktionselemente ermöglicht.
Bei einem entsprechenden Funktionselement kann es sich z. B. um ein, z. B. hakenartiges, Befestigungs- bzw. Halterungselement zur Halterung eines Drittgegenstands an der Verbundstruktur oder um wenigstens ein von einem Medium, d. h. z. B. einem Gas und/oder einer Flüssigkeit, durchströmbares Kanalelement handeln. Das erste Verbundstrukturelement kann sonach beispielsweise mit wenigstens einem Halterungselement zur Halterung eines Drittgegenstands an der Verbundstruktur und/oder mit wenigstens einem von einem Medium, d. h. z. B. einem Gas und/oder einer Flüssigkeit, durchströmbaren Kanalelement ausgebildet werden. Auch hier gilt, dass der additive Aufbau des ersten Verbundstrukturelements die Ausbildung unterschiedlicher zwei- oder dreidimensionaler Halterungs- und/oder Kanalelemente ermöglicht. Andere Ausführungen entsprechender Funktionselemente, d. h. z. B. Anschlusselemente, Kühlstrukturelemente, etc., sind denkbar.
An dieser Stelle ist allgemein zu erwähnen, dass die geometrisch-konstruktive Gestalt des ersten Verbundstrukturelements und des zweiten Verbundstrukturelements typischerweise im Hinblick auf die geometrisch-konstruktive Gestalt der eigentlich herzustellenden Verbundstruktur gewählt wird. Die geometrisch-konstruktive Gestalt des ersten Verbundstrukturelements und des zweiten Verbundstrukturelements kann insbesondere im Hinblick auf auf ihre strukturellen Eigenschaften, d. h. insbesondere ihre mechanischen Eigenschaften, möglichst anforderungs- bzw. belastungsgerecht ausgeführte Verbunde zwischen den Verbundstrukturelementen gewählt sein.
Die Erfindung betrifft neben dem hierin beschriebenen Verfahren auch eine Verbundstruktur, welche gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren gelten sonach analog für die Verbundstruktur.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

1, 2 jeweils einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung einer Verbundstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
3, 4 jeweils einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung einer Verbundstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Die 1, 2 zeigen jeweils einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung einer Verbundstruktur 1 bzw. eines Verbundstrukturbauteils, welche(s) ein erstes Verbundstrukturelement 2 und ein mit diesem verbundenes zweites Verbundstrukturelement 3 umfasst, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
In 1 ist das erste Verbundstrukturelement 2 nach dessen additivem Aufbau in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. In 2 ist das durch Umschäumen des ersten Verbundstrukturelements 2 gebildete zweite Verbundstrukturelement 3 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. 2 zeigt auch die insoweit fertige Verbundstruktur 1.
Bei der verfahrensgemäß herstellbaren bzw. hergestellten Verbundstruktur 1 bzw. dem Verbundstrukturbauteil handelt es sich in den in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispielen um ein in einem Kraftfahrzeug bzw. einer Kraftfahrzeugkarosserie verbaubares bzw. zu verbauendes Kraftfahrzeugbauteil. Das Kraftfahrzeugbauteil kann z. B. ein einen Teil eines Sitzes, d. h. z. B. eine Sitz- oder Lehnfläche, eines Kraftfahrzeugs bildendes Sitzbauteil sein.
Das Verfahren beinhaltet bzw. umfasst die im Folgenden beschriebenen Schritte:

In einem ersten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Ausbilden des ersten Verbundstrukturelements 2 durch einen additiven bzw. generativen Aufbauvorgang aus einem additiv aufbaubaren Material, d. h. z. B. einem additiv aufbaubaren Kunststoff oder Metall. In dem ersten Schritt des Verfahrens erfolgt sonach ein Durchführen wenigstens einer Maßnahme zum additiven Aufbau des ersten Verbundstrukturelements 2 aus einem additiv aufbaubaren Material unter Ausbildung des ersten Verbundstrukturelements 2. Die Maßnahme zum additiven Aufbau des ersten Verbundstrukturelements 2 beinhaltet typischerweise eine sukzessive schichtweise selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem entsprechend selektiv verfestigbaren Baumaterial. Die selektive Verfestigung der Baumaterialschichten kann vermittels Energiestrahlung, d. h. z. B. Laserstrahlung, Infrarotstrahlung, etc., erfolgen. Die Maßnahme zum additiven Aufbau des ersten Verbundstrukturelements 2 kann z. B. im Rahmen eines selektiven Lasersinterverfahrens oder eines selektiven Laserschmelzverfahrens oder eines Binder-Jetting-Verfahrens erfolgen.

Der additive Aufbau des ersten Verbundstrukturelements 2 erfolgt auf Grundlage von die Geometrie des ersten Verbundstrukturelements 2 beschreibenden Baudaten. Die Baudaten können im Hinblick auf eine belastungsgerechte Auslegung des ersten Verbundstrukturelements 2 bzw. der Verbundstruktur 1 erzeugt werden. Die Baudaten können konkret beispielsweise im Hinblick auf bestimmte strukturelle Eigenschaften, d. h. insbesondere mechanische Eigenschaften, wie z. B. Elastizität bzw. Viskoelastizität, Festigkeit, Steifigkeit, etc., des ersten Verbundstrukturelements 2 bzw. der Verbundstruktur 1 erzeugt werden. Die Baudaten können ferner (auch) im Hinblick auf bestimmte akustische, optische, thermische Eigenschaften des ersten Verbundstrukturelements 2 erzeugt werden.
Ersichtlich ist das erste Verbundstrukturelement 2 mit einer mechanische Befestigungsmöglichkeiten, d. h. insbesondere Verankerungsmöglichkeiten und/oder Verhakungsmöglichkeiten, für das zweite Verbundstrukturelement 3 bildenden Struktur 4 ausgebildet. Die mechanische Befestigungsmöglichkeiten für das zweite Verbundstrukturelement 3 bildende Struktur 4 ergibt sich aus einer gitterartig oder -förmigen Ausbildung des ersten Verbundstrukturelements 2, welches sonach eine Vielzahl an, z. B. strebenartigen bzw. -förmigen oder traversenartigen bzw. -förmigen, Gitterstrukturelementen 5, welche in einem gitterartig bzw. -förmigen Muster miteinander verbunden sind, umfasst.
In einem auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Ausbilden des zweiten Verbundstrukturelements 3 durch einen Schäumvorgang aus einem schäumbaren Material, d. h. z. B. einem schäumbaren Kunststoffmaterial, wobei das zweite Verbundstrukturelement 3 unter Ausbildung der Verbundstruktur 1 mit dem ersten Verbundstrukturelement 2 verbunden wird. In dem zweiten Schritt des Verfahrens erfolgt sonach ein Durchführen wenigstens einer Maßnahme zum Schäumen eines schäumbaren Materials unter Ausbildung des zweiten Verbundstrukturelements 3. Die Maßnahme zum Schäumen des schäumbaren Materials beinhaltet typischerweise eine ausreichend hohe Einbringung von Energie in das schäumbare Material, welche zu einem Schäumen bzw. einem Expandieren des schäumbaren Materials und so zur Ausbildung einer, insbesondere zumindest abschnittsweise geschlossen- oder offenzelligen, Schaumstruktur führt. Bei der Energie kann es sich z. B. um thermische Energie, z. B. in Form eines entsprechend temperierten Temperiermediums, wie z. B. Dampf, und/oder um Strahlungsenergie, wie z. B. UV-Strahlung, handeln. Bei dem zweiten Verbundstrukturelement 3 handelt es sich sonach um ein durch Schäumen eines schäumbaren Materials gebildetes Schaumstrukturelement.
Der zur Ausbildung des zweiten Verbundstrukturelements 3 erfolgende Schäumvorgang des schäumbaren Materials kann in einem einen, insbesondere temperierbaren, Werkzeuginnenraum (Werkzeugkavität) umfassenden Werkzeug (nicht gezeigt) durchgeführt werden. Hierzu kann insbesondere ein Schäumwerkzeug verwendet werden, welches, je nach konkreter Art des Schäumvorgangs unterschiedlich funktionalisiert ausgeführt sein kann. Beispielsweise kann ein Schäumwerkzeug mit einer Möglichkeit zum Einbringen einer zum Initiieren bzw. Steuern des Schäumvorgangs des schäumbaren Materials erforderlichen Energiemenge ausgestattet sein; dies kann z. B. durch ein Temperieren des Werkzeugs bzw. des Werkzeuginnenraums, ein Einbringen von Dampf in das Werkzeug bzw. den Werkzeuginnenraum oder ein Einbringen von Strahlungsenergie in das Werkzeug bzw. den Werkzeuginnenraum gelöst sein. Selbstverständlich ist das erste Verbundstrukturelement in einem solchen Fall in das Werkzeug bzw. in den Werkzeuginnenraum einzubringen.
In dem zweiten Schritt des Verfahrens wird mit der Ausbildung des zweiten Verbundstrukturelements 3 gleichermaßen, d. h. insbesondere gleichzeitig, eine Verbindung zwischen dem ersten Verbundstrukturelement 2 und dem zweiten Verbundstrukturelement 3 ausgebildet. Die Verbindung wird derart ausgebildet, dass das erste Verbundstrukturelement 2 von der Schaumstruktur des zweiten Verbundstrukturelements 3 umgeben, mithin das erste Verbundstrukturelement 2 umschäumt wird. Das zweite Verbundstrukturelement 3 wird sonach durch Umschäumen des ersten Verbundstrukturelements 2 mit dem ersten Verbundstrukturelement 2 verbunden. Das erste Verbundstrukturelement 2 ist bedingt durch das Umschäumen von dem zweiten Verbundstrukturelement 3 umgeben. Durch das Umschäumen des ersten Verbundstrukturelements 2 mit dem zweiten Verbundstrukturelement 3 ist ein, insbesondere dauerhafter, Schutz des ersten Verbundstrukturelements 2 vor äußeren Einflüssen, d. h. z. B. vor mechanischen und/oder klimatischen Belastungen, gegeben, was insbesondere für filigrane Ausführungen des ersten Verbundstrukturelements 2 zweckmäßig sein kann.
Das zweite Verbundstrukturelement 3 wird im Rahmen der Durchführung des Schäumvorgangs zum Schäumen des schäumbaren Materials form- und/oder stoffschlüssig mit dem ersten Verbundstrukturelement 2 verbunden. Für eine stoffschlüssige Verbindung ist eine gewisse chemische Ähnlichkeit bzw. Verträglichkeit zwischen dem das erste Verbundstrukturelement 2 bildenden additiv aufbaubaren Material und dem das zweite Verbundstrukturelement 3 bildenden schäumbaren bzw. geschäumten Material erforderlich. Eine Verbindung kann ferner durch eine oberflächenaktivierende Maßnahme, d. h. z. B. eine Corona- oder Plasmabehandlung, bedingt oder begünstigt werden. In diesem Zusammenhang ist auch die Verwendung einer haftungsvermittelnden Komponente, d. h. z. B. einer haftungsvermittelnden Schicht, denkbar.
Die 3, 4 zeigen jeweils einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung einer Verbundstruktur 1 bzw. eines Verbundstrukturbauteils, welche(s) ein erstes Verbundstrukturelement 2 und ein mit diesem verbundenes zweites Verbundstrukturelement 3 umfasst, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In 3 ist das erste Verbundstrukturelement 2 nach dessen additivem Aufbau in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. In 4 ist das durch Umschäumen des ersten Verbundstrukturelements 2 gebildete zweite Verbundstrukturelement 3 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. 4 zeigt auch die insoweit fertige Verbundstruktur 1.
Im Unterschied zu dem in den 1, 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist das erste Verbundstrukturelement 2 in dem in den 3, 4 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel mit einem oder mehreren im Hinblick auf deren funktionelle und/oder konstruktive Ausgestaltung gleichen oder unterschiedlichen Funktionselement(en) 6 ausgebildet.
Bei einem entsprechenden Funktionselement 6 kann es sich - wie in dem in den 3, 4 gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellt - z. B. um ein Halterungselement 7 zur Halterung eines Drittgegenstands an der Verbundstruktur 1 handeln.
Prinzipiell ist es alternativ oder ergänzend in beiden Ausführungsbeispielen auch denkbar, in dem ersten Schritt des Verfahrens ein in einem zu dem hierin beschriebenen Verfahren gesonderten Verfahren additiv aufgebautes erstes Verbundstrukturelement 2 bereitzustellen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur (1), welche ein erstes Verbundstrukturelement (2) und ein mit diesem zumindest abschnittsweise verbundenes zweites Verbundstrukturelement (3) umfasst, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Ausbilden des ersten Verbundstrukturelements (2) durch einen additiven Aufbauvorgang aus einem additiv aufbaubaren Material, - Ausbilden des zweiten Verbundstrukturelements (3) durch einen Schäumvorgang aus einem schäumbaren Material, wobei das zweite Verbundstrukturelement (3) zumindest abschnittsweise, gegebenenfalls vollständig, unter Ausbildung der Verbundstruktur (1) mit dem ersten Verbundstrukturelement (2) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Verbundstrukturelement (3) mit dem ersten Verbundstrukturelement (2) durch zumindest abschnittsweises, gegebenenfalls vollständiges, Umschäumen des ersten Verbundstrukturelements (2) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das schäumbare Material im Rahmen der Durchführung des Schäumvorgangs zum Schäumen des schäumbaren Materials, insbesondere formschlüssig und/oder stoffschlüssig, mit dem ersten Verbundstrukturelement (2) verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbundstrukturelement (2) zumindest abschnittsweise mit einer mechanische Befestigungsmöglichkeiten, insbesondere Verankerungs- bzw. Verhakungsmöglichkeiten, für das zweite Verbundstrukturelement (3) bildenden Struktur (4) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbundstrukturelement (2) zumindest abschnittsweise, gegebenenfalls vollständig, gitterartig oder -förmig ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbundstrukturelement (2) mit wenigstens einem Funktionselement (6) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbundstrukturelement (2) mit wenigstens einem Halterungselement (7) zur Halterung wenigstens eines Drittgegenstands an der Verbundstruktur (1) oder wenigstens einem von einem Medium durchströmbaren Kanalelement ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbundstrukturelement (2) aus einem, insbesondere pulverförmigen, Metall oder einem, insbesondere pulverförmigen, Kunststoff ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Verbundstrukturelement (3) aus einem chemisch und/oder physikalisch schäumbaren Material, insbesondere einem chemisch und/oder physikalisch schäumbaren Metall oder einem chemisch und/oder physikalisch schäumbaren Kunststoff, ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbundstrukturelement (2) durch ein selektives Lasersinterverfahren, ein selektives Laserschmelzverfahren, ein selektives Elektronenstrahlschmelzverfahren, ein Stereolithograhieverfahren oder ein Binder-Jetting-Verfahren additiv aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundstruktur (1) als ein in einem Kraftfahrzeug zu verbauendes Kraftfahrzeugbauteil, insbesondere als ein eine Sitz- oder Lehnfläche für einen Fahrzeuginsassen bildendes Sitzbauteil, ausgebildet wird.
Verbundstruktur (1), dadurch gekennzeichnet, dass sie gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.