DE102018213490A1 - Component and method for producing a component - Google Patents
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Abstract
Bauteil, insbesondere Druckgussbauteil, umfassend zumindest zwei Komponenten, wobei zumindest eine erste Komponente zumindest bereichsweise in eine zweite Komponente eingebettet ist, und wobei die erste Komponente eine Grenzschicht aufweist oder ausbildet, bis zu welcher hin die zweite Komponente die erste Komponente infiltriert, wodurch eine Übergangszone gebildet ist.Component, in particular die-cast component, comprising at least two components, at least one first component being at least partially embedded in a second component, and wherein the first component has or forms a boundary layer up to which the second component infiltrates the first component, as a result of which a transition zone is formed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils bzw. eines Bauteilverbunds.The present invention relates to a component and a method for producing a component or a component assembly.
Vorliegend geht es insbesondere um ein Bauteil oder um einen Bauteilverbund, welcher mehrere Werkstoffe bzw. Komponenten umfasst. Aus der
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile beseitigen, wobei sehr leichte Bauteile geschaffen werden, die höchsten Belastungen standhalten.It is therefore an object of the present invention to provide a component and a method for producing a component which eliminate the aforementioned disadvantages, creating very light components which can withstand the highest loads.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und der beigefügten Figur.This object is achieved by a component according to claim 1 and by a method for producing a component according to claim 12. Further advantages and features emerge from the subclaims and the description and the attached figure.
Erfindungsgemäß umfasst ein Bauteil, insbesondere ein Druckgussbauteil, zumindest zwei Komponenten, wobei zumindest eine erste Komponente zumindest bereichsweise in eine zweite Komponente eingebettet ist, und wobei die erste Komponente eine Grenzschicht aufweist oder ausbildet, bis zu welcher hin die zweite Komponente die erste Komponente, insbesondere entlang einer Infiltrationsrichtung, infiltriert, wodurch eine Übergangszone gebildet ist. Die Grenzschicht ist also mit Vorteil innerhalb der ersten Komponente ausgebildet, wobei mit dem Ausdruck „innerhalb“ gemeint ist, dass sie, abhängig von der Größe der ersten Komponente, einen Abstand von dessen Rand aufweist, beispielsweise in einem Bereich von etwa 0,1 bis 10 mm, insbesondere abhängig von den Dimensionen der ersten Komponente. Die Übergangszone ist bevorzugt eine Zone oder Schicht, mit einer gewissen Dicke, Breite oder Stärke, welche die erste Komponente gemäß einer Ausführungsform vollständig umschließt oder umhüllt. Die Dicke oder Stärke bemisst sich dabei entlang der Infiltrationsrichtung. Alternativ kann sie auch nur bereichsweise ausgebildet sein, beispielsweise wenn die erste Komponente nicht vollständig in die zweite Komponente eingebettet ist. Vorteilhafterweise „stoßen“ vorliegend die beiden Komponenten bzw. deren Werkstoffe nicht „direkt“ aneinander, sondern durchmischen sich zunächst. Durch die Übergangszone wird ein Bereich geschaffen, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass im Bereich der Übergangszone sozusagen beide Komponenten/Werkstoffe vorhanden sind, mit anderen Worten ein Mischbereich vorliegt, wodurch ein gradueller Werkstoffübergang erzeugt wird. Bei der Übergangszone handelt es sich mit Vorteil um eine infiltrierbare, auslaufende Struktur. Damit kann zum einen ein sehr guter Formschluss zwischen den beiden Komponenten erreicht werden, welcher sich positiv auf die Lebensdauer des Bauteils auswirkt. Zudem kann ein Masseverhältnis der beiden Komponenten den lokalen Belastungen angepasst werden. Bei dem Bauteil handelt es sich gemäß einer Ausführungsform um ein Karosserie-, Fahrwerks- und/oder Strukturbauteil eines Kraftfahrzeugs, wie eines Personenkraftwagens oder auch eines Kraftrads. Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich um ein im Wesentlichen plattenförmiges Bauteil, welches ein oder mehrere erste Komponenten aufweist, die in eine zweite Komponente eingebettet sind. Alternativ kann das Bauteil aber auch komplexe Geometrien aufweisen bzw. darstellen. Dabei ist mit dem Ausdruck „Einbetten“ insbesondere gemeint, dass die zweite Komponente die erste Komponente umgibt oder umhüllt, wie es beispielsweise bei einem Umgießen auftritt. Bei den Werkstoffen der ersten und zweiten Komponente kann es sich um metallische und/oder nichtmetallische Werkstoffe, wie Kunststoffe, handeln.According to the invention, a component, in particular a die-cast component, comprises at least two components, at least one first component being at least partially embedded in a second component, and the first component having or forming an interface up to which the second component, in particular along an infiltration direction, thereby forming a transition zone. The boundary layer is therefore advantageously formed within the first component, the term “within” meaning that, depending on the size of the first component, it is at a distance from its edge, for example in a range from approximately 0.1 to 10 mm, in particular depending on the dimensions of the first component. The transition zone is preferably a zone or layer, with a certain thickness, width or thickness, which, according to one embodiment, completely surrounds or envelops the first component. The thickness or thickness is measured along the direction of infiltration. Alternatively, it can also be designed only in regions, for example if the first component is not completely embedded in the second component. In the present case, the two components or their materials advantageously do not “directly” come into contact with one another, but first mix. The transition zone creates an area which is characterized in that both components / materials are present in the area of the transition zone, in other words there is a mixing area, as a result of which a gradual material transition is produced. The transition zone is advantageously an infiltrable, leaking structure. On the one hand, this enables a very good interlock between the two components to be achieved, which has a positive effect on the service life of the component. In addition, a mass ratio of the two components can be adapted to the local loads. According to one embodiment, the component is a body, chassis and / or structural component of a motor vehicle, such as a passenger car or a motorcycle. According to one embodiment, it is an essentially plate-shaped component which has one or more first components which are embedded in a second component. Alternatively, the component can also have or represent complex geometries. The term “embedding” means in particular that the second component surrounds or envelops the first component, as occurs, for example, during a casting. The materials of the first and second components can be metallic and / or non-metallic materials, such as plastics.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Komponente einen Werkstoff mit einem höheren Elastizitätsmodul auf als die zweite Komponente bzw. ein Werkstoff der zweiten Komponente. Mit Vorteil kann die erste Komponente gezielt zu einer Verstärkung bzw. Versteifung des Bauteils, welche sozusagen als Hauptkomponente die zweite Komponente aufweist, verwendet werden. Hierbei kommt insbesondere der Vorteil zum Tragen, dass durch die Übergangszone ein Steifigkeitssprung zwischen den verschiedenen Werkstoffen ausgeglichen werden kann. Alternativ kann ein Werkstoff der ersten Komponente aber auch einen Elastizitätsmodul aufweisen, welches unter dem der zweiten Komponente liegt.According to a preferred embodiment, the first component has a material with a higher modulus of elasticity than the second component or a material of the second component. The first component can advantageously be used in a targeted manner to reinforce or stiffen the component, which, as it were, has the second component as the main component. This has the particular advantage that a transition in stiffness between the different materials can be compensated for by the transition zone. Alternatively, a material of the first component can also have a modulus of elasticity which is below that of the second component.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Übergangszone derart ausgelegt, dass ein Steifigkeitssprung im Bauteil zumindest reduziert ist. Je nach Ausgestaltung der Übergangszone kann beispielsweise ein in etwa linearer oder regressiver Abfall der Steifigkeit, beispielsweise von der ersten zur zweiten Komponente hin, eingestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform nimmt hierzu ein Volumenanteil oder eine Konzentration der einen, beispielsweise ersten, Komponente zur anderen, beispielsweise der zweiten, Komponenten hin in etwa linear bzw. kontinuierlich oder regressiv ab. According to a preferred embodiment, the transition zone is designed in such a way that a stiffness jump in the component is at least reduced. Depending on the design of the transition zone, an approximately linear or regressive decrease in stiffness, for example from the first to the second component, can be set. According to one embodiment, a volume fraction or a concentration of the one, for example the first, component decreases approximately linearly or continuously or regressively towards the other, for example the second, component.
Wie bereits angedeutet, ist das Bauteil gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Druckgussbauteil, wobei die erste Komponente ein Stahleinleger ist, welcher von der zweiten Komponente umgossen ist, und wobei die zweite Komponente ein Aluminiumwerkstoff ist. Zweckmäßigerweise handelt es sich also um ein Aluminiumdruckgussbauteil, wie es beispielsweise im Bereich des Kraftfahrzeugbaus verwendet wird. Dabei kann das Bauteil eine im Wesentlichen „einfache“ geometrische Form aufweisen, wie beispielsweise eine plattenförmige Form. Alternativ können mit dem Bauteil aber auch komplizierteste Geometrien dargestellt werden, wie sie beispielsweise ein Federdom eines Kraftfahrzeugs aufweist. Grundsätzlich ist das Druckgussbauteil mit Vorteil durch ein oder mehrere erste Komponenten, insbesondere also Stahlinserts oder Stahleinleger, verstärkt, wobei mit Vorteil Steifigkeit und Festigkeit gezielt erhöht und der erforderliche Bauraum minimiert werden können, da derartige Bauteile deutlich dünner ausgebildet sein können, als Standard-Gussbauteile ohne Verstärkung.As already indicated, the component is, according to a preferred embodiment, a die-cast component, the first component being a steel insert which is encapsulated by the second component, and the second component being an aluminum material. It is therefore expedient to use an aluminum die-cast component such as is used, for example, in the field of motor vehicle construction. The component can have an essentially “simple” geometric shape, such as a plate-like shape. Alternatively, however, the component can also be used to represent the most complicated geometries, such as that which is present, for example, in a spring dome of a motor vehicle. Basically, the die-cast component is advantageously reinforced by one or more first components, in particular steel inserts or steel inserts, whereby rigidity and strength can be selectively increased and the required installation space can be minimized, since such components can be made significantly thinner than standard cast components without reinforcement.
Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Komponente in der Übergangszone eine Poren- und/oder Kammerstruktur auf, wobei eine Poren- und/oder Kammergröße in Richtung der zweiten Komponente zunimmt.
Mit Vorteil ist die Poren- und/oder Kammerstruktur derart ausgebildet, dass ein Infiltrieren der ersten Komponente durch die zweite Komponente vollständig möglich ist. Die tatsächliche Größe und Ausgestaltung der Poren und/oder der Kammern ist dabei von der Verfahrensführung, beispielsweise beim Umgießen, abhängig, sowie von den Werkstoffeigenschaften, insbesondere der zweiten Komponente.According to one embodiment, the first component has a pore and / or chamber structure in the transition zone, a pore and / or chamber size increasing in the direction of the second component.
The pore and / or chamber structure is advantageously designed such that infiltration of the first component by the second component is completely possible. The actual size and configuration of the pores and / or the chambers depends on the process control, for example when casting, and on the material properties, in particular the second component.
Gemäß einer Ausführungsform nimmt eine Poren- und/oder Kammerdichte der ersten Komponente im Bereich der Übergangszone in Richtung der zweiten Komponente zu. Dies ermöglicht mit Vorteil, den vorgenannten Steifigkeitssprung zwischen den Materialien der ersten Komponente und der zweiten Komponente einzustellen bzw. zu reduzieren bzw. an die entsprechenden Vorgaben anzupassen. Dabei korreliert die Poren- und/oder Kammerdichte selbstverständlich mit der Poren- und/oder Kammergröße bzw. mit der Geometrie und/oder Ausgestaltung der Poren und/oder Kammern. In der Folge kann gemäß einer Ausführungsform die Poren- und/oder Kammerdichte auch in Richtung der ersten Komponente zunehmen.According to one embodiment, a pore and / or chamber density of the first component increases in the region of the transition zone in the direction of the second component. This advantageously makes it possible to adjust or reduce the abovementioned stiffness jump between the materials of the first component and the second component or to adapt them to the corresponding specifications. The pore and / or chamber density naturally correlates with the pore and / or chamber size or with the geometry and / or configuration of the pores and / or chambers. As a result, according to one embodiment, the pore and / or chamber density can also increase in the direction of the first component.
Zweckmäßigerweise ist allgemein eine Porosität der Poren- und/oder Schwammstruktur derart ausgebildet oder ausgeformt, dass diese von einem Werkstoff zum anderen Werkstoff hin zu- bzw. abnimmt, wodurch in der Übergangszone ein graduierter und angepasster Übergang bzw. Verlauf des Elastizitätsmoduls geschaffen ist.In general, a porosity of the pore and / or sponge structure is expediently designed or shaped in such a way that it increases or decreases from one material to the other material, as a result of which a graduated and adapted transition or course of the elasticity module is created in the transition zone.
Bevorzugt ist die Übergangszone derart gestaltet, dass der Elastizitätsmodul über die Breite der Übergangszone von der ersten Komponente zur zweiten Komponente hin linear abgebaut wird oder abnimmt, wobei sich hierbei Steigungen zwischen 0,5 bis 1,5 als vorteilhaft erwiesen haben, eine Steigung von 1,05 oder etwa 1,05 als besonders vorteilhaft (hierbei handelt es sich um die Betragswerte der Steigungen). Der vorgenannte Elastizitätsmodul E in der Übergangszone wird dabei wir folgt berechnet:
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest die Übergangszone mittels eines additiven Verfahrens hergestellt. Der Einsatz additiver Fertigungsverfahren ermöglicht eine extrem große Geometrie- bzw. Gestaltungsfreiheit für einen graduellen Werkstoffübergang, beispielsweise umfassend eine mechanische Verklammerung durch Hinterschneidungen etc. Darüber hinaus können mit additiven Fertigungsverfahren die verschiedensten Materialien, seien es beispielsweise Kunststoffe oder insbesondere auch metallische Werkstoffe, verarbeitet werden.According to a preferred embodiment, at least the transition zone is produced by means of an additive process. The use of additive manufacturing processes allows an extremely high degree of geometry and design freedom for a gradual material transition, for example, including mechanical clamping through undercuts, etc. In addition, a wide variety of materials, be it plastics or, in particular, metallic materials, can be processed with additive manufacturing processes.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Komponente die Übergangszone, wobei die erste Komponente mittels eines additiven Verfahrens hergestellt ist. Mit anderen Worten ist die erste Komponente als solche mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt, wobei im Rahmen dieses Herstellungsprozesses die Übergangszone mit ausgebildet wird. Alternativ ist es aber auch möglich, dass es sich bei der ersten Komponente um ein Blechteil oder dergleichen handelt und/oder dass die zweite Komponente durch ein mechanisches Bearbeiten der ersten Komponente, beispielsweise mittel Bohren oder Erodieren, erzeugt wird.According to one embodiment, the first component comprises the transition zone, the first component being produced by means of an additive process. In other words, the first component as such is produced by means of an additive manufacturing process, the transition zone being formed in the course of this manufacturing process. Alternatively, however, it is also possible for the first component to be a sheet metal part or the like and / or for the second component to be a mechanical one Processing the first component, for example by means of drilling or eroding.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Übergangszone als separates Bauteil an der ersten Komponente befestigt. Mit anderen Worten wird die Übergangszone getrennt von der ersten Komponente hergestellt, wobei für deren Herstellung auf die vorgenannten Verfahren verwiesen wird. Gemäß einer Ausführungsform kann auch ein Werkstoff der Übergangszone zu einem Werkstoff der ersten Komponente unterschiedlich ausgebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei der Übergangszone beispielsweise auch um eine schwammartige Struktur handeln, welche in geeigneter Art und Weise an der ersten Komponente befestigt ist, wobei diese schwammartige Struktur aus einem Kunststoff- und/oder aus einem Metallwerkstoff gebildet sein kann. Weiter alternativ kann die Übergangszone mehrere Schichten enthalten, welche quasi entlang einer Infiltrationsrichtung, welche von der zweiten Komponente zur ersten Komponente hin gerichtet ist, aufeinander liegen, wobei sich die Schichten beispielsweise hinsichtlich ihres Aufbaus bzw. ihrer geometrischen Struktur, vgl. die vorgenannte Poren- und/oder Kammerstruktur, unterscheiden können. Durch den Schichtaufbau kann mit Vorteil der vorgenannte Steifigkeitsverlauf sehr genau eingestellt bzw. der Steifigkeitssprung gezielt reduziert werden.According to one embodiment, the transition zone is attached to the first component as a separate component. In other words, the transition zone is produced separately from the first component, reference being made to the aforementioned methods for the production thereof. According to one embodiment, a material of the transition zone to a material of the first component can also be designed differently. According to one embodiment, the transition zone can also be, for example, a sponge-like structure which is fastened in a suitable manner to the first component, wherein this sponge-like structure can be formed from a plastic and / or from a metal material. Further alternatively, the transition zone can contain a plurality of layers, which lie one on top of the other along a direction of infiltration, which is directed from the second component to the first component, the layers differing, for example, with regard to their structure or their geometric structure, cf. can distinguish the aforementioned pore and / or chamber structure. Due to the layer structure, the aforementioned stiffness curve can be set very precisely or the stiffness jump can be specifically reduced.
Gemäß einer Ausführungsform variiert eine Dicke der Übergangszone. Damit wird ein weiterer Freiheitsgrad geschaffen, die Steifigkeit zwischen den beiden Komponenten einzustellen bzw. ggf. an unkritischen Stellen einen höheren Steifigkeitssprung zuzulassen. Mit der Dicke der Übergangzone ist insbesondere der vorgenannte Abstand der Grenzschicht zum Bauteilrand gemeint.According to one embodiment, a thickness of the transition zone varies. This creates a further degree of freedom to set the stiffness between the two components or, if necessary, to allow a higher stiffness jump at non-critical points. The thickness of the transition zone means in particular the aforementioned distance between the boundary layer and the edge of the component.
Gemäß einer Ausführungsform umschließt die Übergangszone die erste Komponente vollständig oder zumindest abschnittsweise. Mit anderen Worten ist die Übergangszone gemäß einer Ausführungsform vollständig um die erste Komponente herum angeordnet oder ausgebildet. Je nach Anwendungsfall kann auf eine derart vollständige Anordnung aber auch verzichtet werden, um beispielsweise den Fertigungsaufwand der ersten Komponente bzw. der Übergangszone zu reduzieren. Eine nur bereichsweise Ausbildung der Übergangszone kann auch aus gießtechnischen Gründen notwendig sein, wenn beispielsweise eine Übergangszone derart positioniert wäre, dass ein ausreichendes Infiltrieren der zweiten Komponente nicht möglich wäre etc.According to one embodiment, the transition zone completely or at least partially encloses the first component. In other words, according to one embodiment, the transition zone is arranged or formed completely around the first component. Depending on the application, however, such a complete arrangement can also be dispensed with, for example in order to reduce the production outlay for the first component or the transition zone. An area-wise formation of the transition zone may also be necessary for casting reasons, for example if a transition zone were positioned in such a way that sufficient infiltration of the second component would not be possible, etc.
Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Einlegers zum Umgießen mit einem Umgussmaterial;
- - Anordnen oder Einbringen einer Übergangszone in dem Einleger, welche beim Umgießen von dem Umgussmaterial bzw. mit dem Umgussmaterial infiltriert wird;
- - Umgießen des Einlegers.
- - Providing an insert for encapsulation with a encapsulation material;
- Arranging or introducing a transition zone in the insert, which is infiltrated by the encapsulation material or with the encapsulation material during the encapsulation;
- - Pouring over the insert.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anpassen einer inneren Struktur der Übergangszone entlang einer Infiltrationsrichtung.
- - Adapting an internal structure of the transition zone along an infiltration direction.
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend auch für das Verfahren sowie umgekehrt. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer schematischen Ansicht einer Ausführungsform eines Bauteils mit Bezug auf die beigefügte Figur. The advantages and features mentioned in connection with the method apply analogously and correspondingly also for the method and vice versa. Further advantages and features result from the following description of a schematic view of an embodiment of a component with reference to the attached figure.
Es zeigt:
-
1 : eine (teilweise) Schnittansicht einer Ausführungsform eines Bauteils in einer schematischen Darstellung.
-
1 : a (partial) sectional view of an embodiment of a component in a schematic representation.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- erste Komponente, Einlegerfirst component, insert
- 2020
- zweite Komponente, Umgussmaterialsecond component, molding material
- 4040
- Grenzschichtinterface
- 4242
- ÜbergangszoneTransition zone
- dd
- Dickethickness
- RR
- Infiltrationsrichtunginfiltration direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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Legal Events
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R163 | Identified publications notified |