DE102019216738A1

DE102019216738A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbunds für ein Fahrzeug und Bauteilverbund

Info

Publication number: DE102019216738A1
Application number: DE102019216738.1A
Authority: DE
Inventors: Sierk Fiebig; Jörg Wenserski; Evelyn Osterwald; Stefan Wolf
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2021-05-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbunds (100) für ein Fahrzeug (1000), aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines Kernbauteils (10), Beschichten von wenigstens einem Teil der Oberfläche des Kernbauteils (10) mit wenigstens einer Funktionsschicht (20), und Andrucken eines Andruckbauteils (30) mittel 3D-Druck an wenigstens einen Teil der Funktionsschicht (20) zum Herstellen des Bauteilverbunds (100). Die Erfindung betrifft ferner einen Bauteilverbund für ein Fahrzeug (1000), aufweisend ein Kernbauteil (10), eine stoffschlüssig mit dem Kernbauteil (10) verbundene Funktionsschicht (20) und ein stoffschlüssig mit der Funktionsschicht (20) verbundenes Andruckbauteil (30), wobei das Andruckbauteil (30) als 3D-Druck-Bauteil ausgestaltet ist und die Funktionsschicht (20) zumindest abschnittsweise sandwichartig zwischen dem Kernbauteil (10) und dem Andruckbauteil (30) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbunds für ein Fahrzeug sowie einen Bauteilverbund zur Verwendung in einem Fahrzeug.
Aluminiumgussbauteile für Fahrzeuge wie beispielsweise Schwenklager verfügen über diverse Buchsen aus Metall an verschiedenen Lagerpunkten. Diese werden nach der mechanischen Bearbeitung des Aluminiumgussbauteils in einem separaten Arbeitsschritt eingepresst, um dadurch den gewünschten Bauteilverbund herzustellen. Je nach Fahrzeugtyp existieren abhängig von gewünschten Wandstärken oder Positionen von Kinematikpunkten verschiedene Gestaltungsformen an unterschiedlichen Anbindungspunkten, die sich teilweise nur geringfügig voneinander unterscheiden.
Die Herstellung der einzelnen Bestandteile des Bauteilverbunds wird durch separat angefertigte Werkzeuge realisiert. Zusätzliche Werkzeuge bedeuten höhere Kosten und einen höheren Verwaltungs- und Wartungsaufwand. Das separate Herstellen von beispielsweise Buchsen zu den Gussbauteilen erfordert separate Arbeitsschritte, bei welchen die Buchsen in die Gussbauteile eingepresst werden. Außerdem wird bei der Herstellung von Gussbauteilen aufgrund von Fertigungsrestriktionen in der Regel mehr Material eingesetzt als theoretisch für eine Lastaufnahme oder die Erfüllung einer Festigkeitsanforderung nötig wäre.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 100 725 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung eines Niveauverstellers für ein Fahrgestell eines Fahrzeugs mit einem Gehäuse und einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Komponente, insbesondere einem Aktor, hervor, wobei die Komponente in einem ersten Schritt bereitgestellt wird und das Gehäuse in einem dem ersten Schritt nachfolgenden zweiten Schritt mittels 3D-Druck auf der Komponente und/oder um die Komponente herum hergestellt wird. Bei einem Bauteilverbund, der mit einem solchen Verfahren hergestellt wurde, hat sich bei Versuchen herausgestellt, dass der Bauteilverbund Fehleranfällig gegen unterschiedliche Umwelteinflüsse ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Verfahren zum Herstellen eines möglichst robusten Bauteilverbunds zur Verfügung zu stellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Bauteilverbund zu schaffen.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie den Bauteilverbund gemäß Anspruch 7 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bauteilverbund und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbunds für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Bereitstellen eines Kernbauteils,
- Beschichten von wenigstens einem Teil der Oberfläche des Kernbauteils mit wenigstens einer Funktionsschicht, und
- Andrucken eines Andruckbauteils mittel 3D-Druck an wenigstens einen Teil der Funktionsschicht zum Herstellen des Bauteilverbunds.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass mit Hilfe der Funktionsbeschichtung vollkommen neue Wege im Bereich der gattungsgemäßen 3D-DruckVerfahren gegangen werden können. Abhängig von der jeweiligen Anforderung kann die Funktionsschicht beispielsweise in Form einer Schutzschicht zur Vermeidung einer Korrosion zwischen dem Kernbauteil und dem Andruckbauteil und/oder als Verbindungsschicht zur Verbesserung des Bauteilverbunds zwischen dem Kernbauteil und dem Andruckbauteil konfiguriert sein.
Das Andruckbauteil ist dabei nicht nur als lokale Verstärkung vorgesehen oder zu verstehen, sondern soll ganze Volumensegmente des gewünschten Bauteilverbunds beinhalten. So kann das Andruckbauteil beispielsweise als Lenkhebelarm eines Schwenklagers, oder als ein Schwenklagergrundkörper, ausgestaltet sein. Dadurch kann das Andruckbauteil einen überwiegenden Bestandteil des Bauteilverbunds, also mehr als 50%, insbesondere mehr als 80% mit Bezug auf Volumen und/oder Gewicht des Bauteilverbunds, darstellen.
Die erfindungsgemäße Fertigung bietet ferner geometrische Freiheiten, sodass beispielsweise Hinterschnitte realisiert werden können und zur Minimierung des Bauteilgewichts beitragen. Mit einem herkömmlichen Gussverfahren war dies bislang nicht oder nicht praktikabel umsetzbar.
Bei der Fertigung des Andruckbauteils kann die Gestaltungsfreiheit der additiven Fertigung zur Minimierung des Bauteilgewichts genutzt werden. Dies ist aufgrund von Fertigungsrestriktionen bei Gussverfahren bei diesen nicht realisierbar.
Ausgangsbasis für das Kernbauteil können beliebige Anbindungselemente oder Bauteilkomponenten, wie wenigstens eine Buchse, wenigstens ein Lager und/oder wenigstens eine Dichtung, aus verschiedenen Materialien sein.
Bevorzugt kann als Kernbauteil eine Buchse aus Metall, insbesondere aus Stahl, beispielsweise aus Edelstahl, verwendet werden.
Unter dem Bauteilverbund ist ein Bauteil zu verstehen, dass aus wenigstens zwei Ausgangsbauteilen besteht, die zur Herstellung des Bauteilverbunds formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden wurden.
Unter dem Beschichten ist vorzugsweise das Auftragen einer gleichmäßig dünnen Materialschicht mit einer Materialstärke von beispielsweise weniger als 10 mm, insbesondere weniger als 5 mm, zu verstehen.
Die Oberfläche des Kernbauteils wird vorzugsweise zumindest an der Stelle mit der Funktionsschicht beschichtet, an welcher anschließend das Andruckbauteil angedruckt werden soll. D.h., die Funktionsschicht wird durch das Andrucken des Andruckbauteils vorzugsweise vollständig sandwichartig zwischen dem Kernbauteil und dem Andruckbauteil positioniert.
Das Kernbauteil wird bevorzugt nur teilweise mit der Funktionsschicht beschichtet. Wenn das Kernbauteil beispielsweise als Buchse ausgestaltet ist, kann nur ein Teil einer Außenumfangsfläche der Buchse mit der Funktionsschicht beschichtet werden.
Unter dem Andrucken des Andruckbauteils mittels 3D-Druck ist ein Andrucken mit Hilfe eines 3D-Druck-Verfahrens zu verstehen. Unter 3D-Druck kann vorliegend ein additives Fertigungsverfahren verstanden werden, bei welchem das gewünschte Bauteil, beispielsweise das Andruckbauteil, durch Auftragung von Material Schicht für Schicht erstellt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Verfahren die Funktionsschicht stoffschlüssig mit dem Kernbauteil verbunden wird. D.h., die Funktionsschicht wird entsprechend fest mit dem Kernbauteil verbunden. Dadurch ist keine zerstörungsfreie Verschiebung mehr zwischen dem Kernbauteil und der Funktionsschicht möglich. Insbesondere kann dadurch verhindert werden, dass sich das Kernbauteil unbeabsichtigt von der Funktionsschicht löst.
Die Funktionsschicht kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ein anderes Material als das Kernbauteil und/oder das Andruckbauteil aufweisen. Damit können durch die Funktionsschicht gezielt technische Effekte realisiert werden, die durch das Kernbauteil und/oder das Andruckbauteil nicht möglich sind. So können das Kernbauteil und das Andruckbauteil beispielsweise aus Metall gefertigt werden, während die Funktionsschicht aus Kunststoff oder Keramik besteht.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Andruckbauteil während des 3D-Drucks stoffschlüssig mit der Funktionsschicht verbunden wird. Das Andruckbauteil wird entsprechend fest mit der Funktionsschicht verbunden. Dadurch kann verhindert werden, dass das Kernbauteil, beispielsweise in Form einer Buchse, unbeabsichtigt aus dem Andruckbauteil fällt. Auf ein separates Fügeverfahren kann verzichtet werden.
Die Funktionsschicht kann als Keramikschicht aus Keramik oder überwiegend aus Keramik bereitgestellt werden. Keramik hat sich bei umfangreichen, experimentellen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung überraschend als geeignetes Material für die Funktionsschicht herausgestellt. Entgegen anfänglicher Annahmen hinsichtlich der Sprödigkeit von Keramik hat sich das Material als langlebiges Verbindungsmaterial für die gewünschten Zwecke herausgestellt. Ein besonderer Vorteil der Keramik ist, dass sie als Korrosionsschutz zwischen dem Kernbauteil und dem Andruckbauteil funktioniert. Korrosion war bei bekannten Bauteilanordnungen, wie sie einleitend zum Stand der Technik beschrieben wurden, stets ein Problem. Die Keramikschicht kann ebenfalls durch 3D-Druck hergestellt werden.
Darüber hinaus ist es möglich, dass bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das Andruckbauteil aus Metall oder überwiegend aus Metall hergestellt wird. Damit können auch Bauteile geschaffen werden, welche im Fahrzeug höheren Lasten standhalten. Bei umfangreichen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich gezeigt, dass sich Metall für die gewünschten Zwecke vorteilhaft drucken lässt. Als Material für das Andruckbauteil werden bevorzugt Aluminium, eine Aluminiumlegierung und/oder Stahl verwendet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bauteilverbund für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt. Der Bauteilverbund weist ein Kernbauteil, eine stoffschlüssig mit dem Kernbauteil verbundene Funktionsschicht und ein stoffschlüssig mit der Funktionsschicht verbundenes Andruckbauteil auf, wobei das Andruckbauteil als 3D-Druck-Bauteil ausgestaltet ist und die Funktionsschicht zumindest abschnittsweise sandwichartig zwischen dem Kernbauteil und dem Andruckbauteil angeordnet ist. Der Bauteilverbund ist insbesondere gemäß einem wie vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt. Damit bringt der erfindungsgemäße Bauteilverbund die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Bauteilverbund. Der Bauteilverbund kann im Fahrzeug als Lastträger, beispielsweise in Form eines Lenkhebelarms eines Schwenkträgers, einschließlich einer darin angeordneten Buchse, ausgestaltet sein. In diesem Fall können der Lenkhebelarm als das Andruckbauteil und die Buchse als das Kernbauteil verstanden werden.
Die sandwichartige Anordnung kann dahingehend ausgestaltet sein, dass die Funktionsschicht auf der einen Seite vollständig oder im Wesentlichen vollständig durch das Kernbauteil bedeckt ist und auf der anderen Seite vollständig oder im Wesentlichen vollständig durch das Andruckbauteil bedeckt ist.
Unter einer stoffschlüssigen Verbindung kann eine Verbindung verstanden werden, bei welcher das Kernbauteil und das Andruckbauteil jeweils mit der Verbindungsschicht durch atomare und/oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. So kann unter der stoffschlüssigen Verbindung eine nicht lösbare Verbindung verstanden werden, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lässt.
Die Funktionsschicht kann als eine Trennschicht zwischen dem Kernbauteil und dem Andruckbauteil verstanden werden. D.h., die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kernbauteil und der Funktionsschicht geht nicht über die Funktionsschicht in Richtung des Andruckbauteils hinaus. Ebenso geht die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Andruckbauteil und der Funktionsschicht nicht über die Funktionsschicht in Richtung des Kernbauteils hinaus. Die Funktionsschicht kann demnach eine Materialbarriere zwischen dem Kernbauteil und dem Andruckbauteil darstellen.
Außerdem ist es möglich, dass das Andruckbauteil bei einem erfindungsgemäßen Bauteilverbund aus Metall oder überwiegend aus Metall besteht. Damit kann der Bauteilverbund als Lastbauteil und/oder Träger im Fahrzeug verwendet werden. Bevorzugt besteht das Andruckbauteil aus Aluminium. Das Kernbauteil besteht vorzugsweise aus Stahl, beispielsweise Edelstahl.
Die Funktionsschicht kann bei einem Bauteilverbund gemäß der vorliegenden Erfindung aus Keramik oder zumindest überwiegend aus Keramik bestehen. Damit lässt sich ein Korrosionsschutz zwischen dem Kernbauteil und dem Andruckbauteil realisieren.
Darüber hinaus ist es möglich, dass die Funktionsschicht eines erfindungsgemäßen Bauteilverbunds ein anderes Material als das Kernbauteil und/oder das Andruckbauteil aufweist. Wie vorstehend bereits erwähnt, können durch die Funktionsschicht damit gezielt technische Effekte realisiert werden, die durch das Kernbauteil und/oder das Andruckbauteil nicht möglich sind. So können das Kernbauteil und das Andruckbauteil beispielsweise aus Metall oder überwiegend aus Metall bestehen, während die Funktionsschicht zum Schutz vor Korrosion zwischen dem Kernbauteil und dem Andruckbauteil aus Keramik besteht.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:

1 ein Kernbauteil mit einer Funktionsschicht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 einen erfindungsgemäßen Bauteilverbund mit dem in 1 dargestellten Kernbauteil und einem an die Funktionsschicht angedruckten Andruckbauteil,
3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteilverbunds,
4 ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Bauteilverbund, und
5 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Kernbauteil 10 in Form einer Buchse. Auf das Kernbauteil 10 ist eine Funktionsschicht 20 in Form einer Keramikschicht zur Korrosionsvermeidung aufgetragen. Die Funktionsschicht 20 ist stoffschlüssig mit dem Kernbauteil 10 verbunden.
In 2 ist ein Bauteilverbund 100 für ein in 4 dargestelltes Fahrzeug 1000 mit dem in 1 dargestellten Kernbauteil 10 und der Funktionsschicht 20 dargestellt. Der in 2 dargestellte Bauteilverbund 100 weist ferner ein Andruckbauteil 30 auf. Das Andruckbauteil 30 ist stoffschlüssig an die Funktionsschicht 20 gedruckt. Das Andruckbauteil 30 ist entsprechend als 3D-Druck-Bauteil ausgestaltet. Die Funktionsschicht 20 ist sandwichartig zwischen dem Kernbauteil 10 und dem Andruckbauteil 30 angeordnet. Das gezeigte Andruckbauteil 30 besteht aus Aluminium oder zumindest im Wesentlichen aus Aluminium.
In 3 ist das Andruckbauteil 30 in Form eines Lenkhebelarms als Teil eines Schwenklagergrundkörpers 200 dargestellt. Das Kernbauteil 10 ist mittels der Funktionsschicht 20 (in 3 nicht dargestellt) stoffschlüssig im Andruckbauteil 30 integriert.
Mit Bezug auf 5 wird anschließend ein Verfahren zum Herstellen eines wie in 2 dargestellten Bauteilverbunds 100 für ein Fahrzeug 1000 erläutert. Hierzu wird in einem ersten Schritt S1 zunächst das Kernbauteil 10 in Form einer Stahlbuchse bereitgestellt.
In einem zweiten Schritt S2 wird ein Teil der Oberfläche des Kernbauteils 10, vorliegend eine Außenumfangsfläche des Kernbauteils, mit der Funktionsschicht 20 in Form einer Keramikschicht beschichtet. Die Funktionsschicht 20 wird hierbei stoffschlüssig mit dem Kernbauteil 10 verbunden.
In einem dritten Schritt S3 wird zum Herstellen des Bauteilverbunds 100 das Andruckbauteil 30 in Form des Lenkhebelarms aus Aluminium mittel 3D-Druck an die Funktionsschicht 20 gedruckt. Hierbei wird das Andruckbauteil 30 stoffschlüssig mit der Funktionsschicht 20 verbunden.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Bezugszeichenliste

10: Kernbauteil
20: Funktionsschicht
30: Andruckbauteil
100: Bauteilverbund
200: Schwenklagergrundkörper
1000: Fahrzeug

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 102018100725 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbunds (100) für ein Fahrzeug (1000), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines Kernbauteils (10), - Beschichten von wenigstens einem Teil der Oberfläche des Kernbauteils (10) mit wenigstens einer Funktionsschicht (20), und - Andrucken eines Andruckbauteils (30) mittel 3D-Druck an wenigstens einen Teil der Funktionsschicht (20) zum Herstellen des Bauteilverbunds (100).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (20) stoffschlüssig mit dem Kernbauteil (10) verbunden wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (20) ein anderes Material als das Kernbauteil (10) und/oder das Andruckbauteil (30) aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Andruckbauteil (30) während des 3D-Drucks stoffschlüssig mit der Funktionsschicht (20) verbunden wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht als Keramikschicht aus Keramik oder überwiegend aus Keramik bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Andruckbauteil (30) aus Metall oder überwiegend aus Metall hergestellt wird.
Bauteilverbund (100) für ein Fahrzeug (1000), aufweisend ein Kernbauteil (10), eine stoffschlüssig mit dem Kernbauteil (10) verbundene Funktionsschicht (20) und ein stoffschlüssig mit der Funktionsschicht (20) verbundenes Andruckbauteil (30), wobei das Andruckbauteil (30) als 3D-Druck-Bauteil ausgestaltet ist und die Funktionsschicht (20) zumindest abschnittsweise sandwichartig zwischen dem Kernbauteil (10) und dem Andruckbauteil (30) angeordnet ist.
Bauteilverbund (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Andruckbauteil (30) aus Metall oder überwiegend aus Metall besteht.
Bauteilverbund (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (20) aus Keramik oder überwiegend aus Keramik besteht.
Bauteilverbund (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (20) ein anderes Material als das Kernbauteil (10) und/oder das Andruckbauteil (30) aufweist.