-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundbauteils aus zumindest zwei Bauteilkomponenten sowie ein Werkstoffverbundbauteil aus zumindest zwei Bauteilkomponenten.
-
Die Verbindung von zwei Bauteilkomponenten, um einen daraus resultierenden Verbund von Bauteilkomponenten beziehungsweise eine allgemein höherwertige Bauteilkomponente, beispielsweise mit zusätzlichen Funktionen, zu realisieren, kann auf unterschiedlichste Weise vollzogen werden. Dabei kann in einem Bauteil zum Beispiel ein Gewinde geschnitten werden, so dass ein zweites Bauteil in Form einer Schraube oder einer Schraubvorrichtung entsprechend angeordnet werden kann. Auch sind Schweißverbindungen oder Klebverbindungen zwischen verschiedenen Bauteilkomponenten aus dem Stand der Technik bekannt. Zudem ist auch bekannt, zwei jeweils dafür ausgelegte Bauteilkomponenten mittels eines mechanischen Vorgangs, beispielsweise durch Pressen, miteinander zu verbinden. Eine gesonderte Form stellt das Aufsintern einer Bauteilkomponente auf einer anderen Bauteilkomponente dar.
-
So ist aus der Druckschrift
DE 10 2008 027 596 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerbauteils als bekannt zu entnehmen. Dabei wird zunächst ein Pleuelrohling durch ein Umformverfahren oder ein Urformverfahren hergestellt. In ein Pleuelauge des Pleuelrohlings wird anschließend ein Lagerring eingefügt, wobei der Pleuelrohling beim Einfügen des Lagerrings eine Temperatur von mehr als 300 °C aufweist. Diese Temperatur kann letztendlich für ein Aufsintern des Lagerrings genutzt werden. Es ist dabei nicht vorgesehen, dass zumindest eines von den ersten und zweiten Bauteilkomponenten mittels eines additiven Fertigungsverfahrens erstellt wird.
-
Aus der Druckschrift
DE 10 2008 042 065 A1 ist zudem ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles aus einem Werkstoffverbund und ein Bauteil aus einem Werkstoffverbund als bekannt zu entnehmen. Dabei ist vorgesehen, zwischen zwei Bauteilen eine stoffschlüssige Verbindung mittels eines gemeinsamen Sintervorgangs hervorzubringen. Zumindest das erste Ausgangsteil wird dabei mit einem pulvermetallurgischen Verfahren, insbesondere Pulverspritzgießen, Extrusion oder uniaxiales beziehungsweise isostatisches Pressen, hergestellt. Dabei kommen im Wesentlichen reine Metallpulver zum Einsatz. Das zumindest eine zweite Ausgangsteil besteht aus einem Sintermaterial, einem keramischen Hartstoff, einem Cermet oder einem schmelzmetallurgisch hergestellten Material, bevorzugt einem Metall. Es ist dabei nicht vorgesehen, dass zumindest eines von den ersten und zweiten Bauteilkomponenten mittels eines additiven Fertigungsverfahrens erstellt wird.
-
Aus der Druckschrift
EP 0 563 949 B1 ist ein Verfahren insbesondere zur pulvermetallurgischen Herstellung eines Zahnrades mit einem Kupplungskörper als bekannt zu entnehmen. Dabei soll zumindest ein Teil durch Sintern hergestellt werden, wobei dann eines der beiden Teile erwärmt wird, so dass dieses dann mit dem anderen Teil durch Schrumpfsitz verbunden wird. Insbesondere kann dabei zum Beispiel die beim Sintern erzeugte Wärme verwendet werden. Insofern wird hier ein Schrumpfsitz generell mittels thermischem Verzug beispielsweise aus der Schmelzhitze und nicht durch das Sintern an sich vollzogen. Zudem bezieht sich die Offenbarung lediglich auf sehr spezielle Bauteile. Es ist dabei nicht vorgesehen, dass zumindest eines von den ersten und zweiten Bauteilkomponenten mittels eines additiven Fertigungsverfahrens erstellt wird.
-
Die vorgestellten Lösungen bieten zumindest bereits erste Ansätze, zwei Komponenten miteinander zu verbinden, ohne dass ein nachträglicher Einfluss, beispielsweise mechanischer Art oder im Zuge einer thermischen Einwirkung einer Schweißverbindung, die einzelnen Bestandteile nachteilig beeinflusst. Als nachteilig von den bisherigen Lösungen im Sinne eines Einsatzes von Sinterverfahren im Zusammenhang mit einer Aufschrumpfung gemäß Stand der Technik könnte angesehen werden, dass lediglich eine gewisse geometrische Freiheit bei der Herstellung von Werkstoffverbunden aus verschiedenen Bauteilen gegeben ist. Auch bieten die dabei verbundenen Prozesszeiten noch ein gewisses Verbesserungspotential.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundbauteils aus zumindest zwei Bauteilkomponenten bereitzustellen, welches eine hohe geometrische Freiheit erlaubt und dabei keine zusätzlichen Fügetechniken benötigt.
-
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundbauteils aus zumindest zwei Bauteilkomponenten bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte: Bereitstellen von zumindest einer ersten Bauteilkomponente, Bereitstellen von zumindest einer zweiten Bauteilkomponente, Anordnen von der zumindest einen zweiten Bauteilkomponente an und/oder zumindest teilweise in der zumindest einen ersten Bauteilkomponente, Sintern der Anordnung von den Bauteilkomponenten, so dass die zumindest eine zweite Bauteilkomponente an und/oder zumindest teilweise in der zumindest einen ersten Bauteilkomponente festgelegt wird, wobei die erste Bauteilkomponente mittels eines additiven Fertigungsverfahrens erstellt wird. Der Sintervorgang sorgt für eine Schrumpfung, so dass die zweite Bauteilkomponente in der ersten Bauteilkomponente festgelegt wird. Auf diese Weise können weitere Nachbearbeitungsschritte in Form beispielsweise von aufwändigen Fügeprozessen, welche teilweise einen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Materials haben, umgangen werden. Ein additives Fertigungsverfahren ermöglicht die Erstellung eines entsprechenden Grünlings, welcher dann in dem Sintervorgang eingeschrumpft wird. Mit anderen Worten findet im nachgelagerten Sinterprozess eine Verdichtung des Materials statt, so dass die zweite Bauteilkomponente nach der Einschrumpfung benutzerdefiniert an der ersten Bauteilkomponente festgelegt wird. Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren ermöglicht dabei eine hohe geometrische Freiheit, so dass auch komplexe Werkstoffverbundbauteile realisiert werden können. Dabei sind zudem keine zusätzlichen Fügetechniken nötig. Auch sind keine weiteren Nacharbeiten zwingend nötig, um eine stabile Verbindung zu realisieren. Zudem können somit Verbindungen realisiert werden, wo konventionelle Verfahren an ihre Grenzen stoßen oder sogar scheitern. Insofern sind auch keine weiteren Fügewerkzeuge von Nöten, so dass deren Bereitstellung und anschließender Verschleiß in der Nutzungsphase keine zusätzlichen Kosten mit sich bringen. Es lässt sich somit also ein kompletter Entfall von konventionellen Fügeverfahren ermöglichen. Auf diese Weise ist zudem eine effiziente Realisierung von Bauteilen nach dem Baukastenprinzip möglich. Zudem lassen sich auf die vorgestellte Weise höherfeste Werkstoffe fügen, die durch konventionelle Verfahren nicht abzubilden sind. Es gibt zudem keine Restriktionen bezüglich beispielsweise einer Schweißbarkeit von Werkstoffen. Mit der hohen Designfreiheit, welche durch den Einsatz von additiven Fertigungsverfahren einhergeht, ist somit eine große Variantenvielfalt gegeben. Anders gesagt ermöglicht die Verwendung von einer additiven Fertigung eine große Anzahl verschiedener Einlegergeometrien aufgrund der konstruktiven Freiheit des additiven Fertigungsverfahrens. Es ist prinzipiell jedes Fügeelement möglich. Wenn mehrere Fügeverbindungen vorgesehen sein sollten, sind diese mit nur einem Einzelprozess realisierbar. Beispielsweise können mehrere zweite Bauteilkomponenten vorgesehen sein, so dass diese entsprechend an der ersten Bauteilkomponente in nur einem Sintervorgang festgelegt werden können. Das Bauteil wird geschont, eine allgemeine Nacharbeit verringert oder sogar überflüssig und eine Ausschussquote wird verringert. Generell ist das vorgesehene Verfahren sehr zuverlässig, so dass eine geringe Ausschussquote ermöglicht wird. Insbesondere, da kein nachträglicher mechanischer oder thermischer Einfluss auf die Fügeteile einhergeht, ist das zu fertigende Werkstoffverbundbauteil besonders stabil und es lassen sich geringe Ausschussquoten realisieren. Es lassen sich homogenere Werkstoffeigenschaften realisieren.. Auch nachträgliche Bearbeitungsprozesse wie beispielsweise ein Gewindeschneiden oder ein Fügeprozess an sich entfallen.
-
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Werkstoffverbundbauteil aus zumindest zwei Bauteilkomponenten gefertigt nach dem Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 9 bereitgestellt wird. Die zuvor genannten Vorteile gelten soweit übertragbar auch für den vorgestellten Gegenstand.
-
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
-
So ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das additive Fertigungsverfahren ein 3D-Druckverfahren, insbesondere ein binderbasiertes Verfahren mit anschließendem Sintervorgang ist, wobei zumindest ein pulverbasiertes Material und zumindest ein Bindermaterial eingesetzt werden. Die zuvor genannten Vorteile lassen sich somit noch besser erreichen. Eine Besonderheit bei dem angedachten 3D-Druckverfahren liegt darin, dass neben einem pulverbasierten Material in Form beispielsweise von Metallpulver zumindest ein Bindermaterial eingesetzt wird, so dass auch durch diese Kombination von zwei verschiedenen Materialien eine besonders große Geometriefreiheit gegenüber anderen Fertigungsverfahren, welche rein auf den Einsatz von nur einem Metallpulver basieren, gegeben ist.
-
Auch ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zumindest eine zweite Bauteilkomponente an und/oder zumindest teilweise in der zumindest einen ersten Bauteilkomponente festgelegt wird, indem ein Stoffschluss und/oder ein Formschluss zwischen der zumindest einen zweiten Bauteilkomponente an und/oder zumindest teilweise in der zumindest einen ersten Bauteilkomponente mittels des Sinterns, insbesondere durch einen Ein- und/oder Aufschrumpfungsschritt während des Sinterns, realisiert wird. Somit lässt sich ein besonders stabiles Werkstoffverbundbauteil mit einer hohen geometrischen Freiheit realisieren. Anstelle einer Spielpassung ist insbesondere ein anzustrebender Formschluss dabei von Vorteil, da somit ein besonders guter Halt der Komponenten zueinander gewährleistet wird. Mit anderen Worten ist also ein Ein- beziehungsweise Aufschrumpfen von beispielsweise Fügeelementen in einer ersten Bauteilkomponente, welche auch als Grünling bezeichnet werden kann, denkbar.
-
Ferner ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zumindest eine zweite Bauteilkomponente an und/oder zumindest teilweise in der zumindest einen ersten Bauteilkomponente festgelegt wird und wobei vor dem Sintern die beiden Bauteilkomponenten mittels einer Presspassung zueinander angeordnet werden. Die Presspassung stellt nicht nur eine weitere Festigkeit der Bauteilkomponenten zueinander dar, sondern kann vor dem Sintern eine gewisse Anfangsfestigkeit zwischen den Komponenten sicherstellen, so dass während des Sinterns eine besonders zuverlässige und örtlich entsprechend benutzerdefinierte Fügung der beiden Komponenten zueinander ermöglicht wird.
-
Zudem ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zumindest eine zweite Bauteilkomponente zumindest ein erstes Ausgangsmaterial umfasst und die zumindest eine erste Bauteilkomponente zumindest ein zweites Ausgangsmaterial umfasst, wobei das zweite Ausgangsmaterial verschieden von dem ersten Ausgangsmaterial ist. Generell ist mit dem vorgestellten Verfahren also der Einsatz von unterschiedlichen, artgleichen Legierungen, insbesondere von Stählen in unterschiedlichen Legierungen und chemischen Zusammensetzungen, möglich, wobei die Einschrumpfung auch von beispielsweise höherfesten Materialien vorstellbar ist. Die hohe geometrische Freiheit, welche mit den additiven Fertigungsverfahren einhergeht, begünstigt zusätzlich den Einsatz von verschiedenen Materialien, da aufgrund beispielsweise von filigranen Strukturen in dem ersten Bauteil ein zweites Bauteil unabhängig von dessen Material auf gewünschte Weise festgelegt werden kann.
-
Des Weiteren ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass zumindest eines von den beiden zueinander festzulegenden Bauteilkomponenten zumindest einen Hinterschnittbereich umfasst, so dass ein Formschluss zusätzlich verstärkt wird. Die zuvor genannten Vorteile lassen sich somit noch besser realisieren. Beispielsweise könnten auch mehrere Hinterschnittbereiche vorgesehen sein. Ein in dem Grünling konstruiertes Gewinde erhöht die Auflagefläche deutlich und es können deutlich höhere Kräfte erreicht werden. Mit anderen Worten könnten die vorgesehenen Hinterschnitte insbesondere als eine Art Gewinde verstanden werden, welches bereits in den Grünling einkonstruiert und gedruckt wurde und somit die Auflagefläche von Komponente 1 zu Komponente 2 erhöht.
-
Auch ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein Abkühlvorgang beim Sintern zumindest teilweise kontinuierlich vollzogen wird. Mit anderen Worten sind bei dem vorgestellten Verfahren keine isothermen Haltestufen nötig, so dass ein besonders effizientes Verfahren aufgrund des Einsatzes von additiven Fertigungsverfahren ermöglicht wird.
-
Zudem ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zumindest eine erste Bauteilkomponente mittels 3D-Druckverfahren, insbesondere ein binderbasiertes Verfahren mit anschließendem Sintervorgang , hergestellt wird und die zumindest eine zweite Bauteilkomponente aus einem höherfesten oder geringerfesten Werkstoff gefertigt ist. Die zuvor genannten Vorteile lassen sich somit noch besser realisieren.
-
Ferner ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zumindest eine zweite Bauteilkomponente ausgewählt ist aus: Gewindebuchse, Schraube und Schweißzusatzblech, Bolzen, Verbindungskörper. Die vorgestellten Bauteilkomponenten beziehungsweise Fügeelemente können auch allgemein als Funktionselemente bezeichnet werden. Prinzipiell sind bei dem Verbindungskörper alle möglichen Geometriearten denkbar, die zum Verbinden oder Positionieren von Teilen in irgendeiner Weise nutzbar sind. Beispielsweise könnte auch ein eingesinterter Bolzen vorgesehen sein, wobei dann entsprechend Einsparungen oder Löcher in der anderen Komponente vorgesehen werden, um diesen Bolzen entsprechend zu positionieren. Mit dem vorgestellten Verfahren kann somit auf einfache Weise eine zusätzliche Funktion in ein Werkstoffverbundbauteil eingebracht werden, ohne dass eine aufwendige Fügetechnik benötigt wird. Lediglich der Sinterschritt eines Grünlings, hervorgebracht mittels eines additiven Fertigungsverfahrens und der damit einhergehenden hohen geometrischen Freiheit, kann dabei bereits eine nötige Festlegung von zwei Komponenten zueinander hervorbringen.
-
Beispielsweise kann das vorgestellte Verfahren und die damit in Verbindung stehenden Produkte prinzipiell in jeglichen Fahrzeugderivaten vorgesehen werden. Allgemein ist eine Anwendung überall dort denkbar, wo Fügeverbindungen in Verbindung mit gesinterten Metallen zum Einsatz kommen. Durch wachsende Marktdurchdringung von 3D-Druck-Verfahren mit Sintervorgang ist zudem vorstellbar, dass in den kommenden Jahren eine deutliche Ausweitung stattfindet. In diesem Zusammenhang ist ein Einsatz in verschiedensten Industriezweigen neben der Kraftfahrzeugindustrie denkbar, insbesondere für solche Industriezweige, für die 3D-Druck relevant ist und die Fügeverbindungen nutzen. Beispielsweise ist eine Einsatzmöglichkeit in der Luftfahrtbranche vorstellbar.
-
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
-
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Werkstoffverbundbauteil aus zumindest zwei Bauteilkomponenten im zusammengebauten Zustand;
- 2 zwei Bauteilkomponenten vor dem Zusammenbau zu einem Werkstoffverbundbauteil;
- 3 ein weiteres Werkstoffverbundbauteil aus zumindest zwei Bauteilkomponenten im zusammengebauten Zustand.
-
1 zeigt ein Werkstoffverbundbauteil 10 aus zumindest zwei Bauteilkomponenten 12, 14 im zusammengebauten Zustand. Die erste Bauteilkomponente 12 ist dabei mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt, wobei die im Wesentlichen rechteckige Außenform hier nur beispielhaft gezeigt ist. Es ist vorstellbar, dass solch eine Außenform gemäß einer Geometrie eines reellen komplexen Bauteils innerhalb einer Anordnung von Bauteilen vorgesehen ist. Beispielsweise könnte ein Strukturbauteil in einem Kraftfahrzeug damit gemeint sein. Im Wesentlichen mittig ist ein runder Öffnungsbereich 16 zu erkennen, wobei der Öffnungsbereich 16 eine nicht näher zu erkennende Tiefe aufweist. Dies liegt daran, dass in dem Öffnungsbereich 16 eine zweite Bauteilkomponente 14 angeordnet ist. Bei der zweiten Bauteilkomponente 14 handelt es sich vorliegend um eine Gewindebuchse. Anstelle der Gewindebuchse könnte auch ein jegliches anderes Funktionselement vorgesehen sein. Die zweite Bauteilkomponente 14 in Form einer Gewindebuchse weist dabei eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, wobei eine Außengeometrie derart in den Öffnungsbereich 16 passt, so dass hier eine anfängliche Presspassung realisiert ist. Ein umlaufender Außengewindebereich 18 unterstützt dabei diese Presspassung zusätzlich. Die zweite Bauteilkomponente 14 in Form einer Gewindebuchse weist zudem einen hohlen Innenbereich 20 auf, wobei ein umlaufender Innengewindebereich 22 in dem Innenbereich 20 vorgesehen ist, so dass hier beispielsweise ein externes Schraubelement eingeschraubt werden kann. Das Werkstoffverbundbauteil 10 ist in der 1 als bereits gesintertes Werkstoffverbundbauteil 10 dargestellt, so dass die zweite Bauteilkomponente 14 bereits fest in der ersten Bauteilkomponente 12 festgelegt beziehungsweise eingeschrumpft ist. Vorstellbar ist zum Beispiel, dass in einem Fall eine Gewindebuchse eingeschrumpft wird und in einem anderen Fall ein Schraubelement eingeschrumpft wird, so dass diese zwei unterschiedlichen Werkstoffverbunde miteinander verschraubt werden können. Auch ist vorstellbar, dass ein Schweißzusatzblech eingeschrumpft wird, so dass die mittels additivem Fertigungsverfahren hergestellte erste Bauteilkomponente 12 eine zusätzliche Funktion erhält.
-
2 zeigt zwei Bauteilkomponenten 12, 14 vor dem Zusammenbau zu einem Werkstoffverbundbauteil 10. Die gezeigte erste Bauteilkomponente 12 und die gezeigte zweite Bauteilkomponente 14 sind dabei nahezu identisch mit den in der 1 gezeigten Komponenten. Der einzige Unterschied besteht lediglich darin, dass die in 2 gezeigten Komponenten vor dem Sintern dargestellt sind. Die erste Bauteilkomponente 12 ist demnach als ein Binder-Jetting-Teil, welches auch allgemein als Grünling bezeichnet werden kann, dargestellt. Insbesondere ist in der 2 zudem eine Tiefe 24 in dem Öffnungsbereich 16 zu erkennen. Diese Tiefe 24 ist ausgelegt, zumindest einen Teilbereich von der zweiten Bauteilkomponente 14 aufzunehmen. Die zweite Bauteilkomponente 14 wird während des Sinterns nicht nennenswert hinsichtlich der Geometrie beeinflusst.
-
3 zeigt ein weiteres Werkstoffverbundbauteil 10 aus zumindest zwei Bauteilkomponenten 12, 14 im zusammengebauten Zustand. In diesem Beispiel ist die zweite Bauteilkomponente 14 in Form der Gewindebuchse nahezu vollständig in der ersten Bauteilkomponente 12 eingepasst beziehungsweise festgelegt. Das gezeigte Werkstoffverbundbauteil 10 ist zudem als ein fertig gesintertes Bauteil dargestellt, so dass die erste Bauteilkomponente 12 keinen Grünling mehr darstellt, sondern vielmehr die zweite Bauteilkomponente 14 entsprechend eingeschrumpft vorliegt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Werkstoffverbundbauteil
- 12
- erste Bauteilkomponente
- 14
- zweite Bauteilkomponente
- 16
- Öffnungsbereich
- 18
- Außengewindebereich
- 20
- Innenbereich
- 22
- Innengewindebereich
- 24
- Tiefe
-
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 102008027596 A1 [0003]
- DE 102008042065 A1 [0004]
- EP 0563949 B1 [0005]
