-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein additives Herstellungsverfahren zur Herstellung von Metallbauteilen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Metallbauteil, welches mittels eines derartigen additiven Herstellungsverfahren hergestellt ist.
-
Die Offenlegungsschrift
EP 2 815 824 A1 zeigt ein vorbekanntes additives Verfahren zur Herstellung von Metallbauteilen, wobei unterschiedliche pulverförmige Werkstoffe verwendet werden.
-
Es ist eine Aufgabe vorliegender Erfindung, ein additives Herstellungsverfahren zu schaffen, mit dem effizient und kostengünstig optimal an spezifische Belastungen und Einsatzzwecke angepasste Metallbauteile hergestellt werden können. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Metallbauteil bereitzustellen, welches eine optimale belastungsgerechte Verteilung der Werkstoffeigenschaften aufweist.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch ein additives Herstellungsverfahren zur Herstellung von Metallbauteilen gemäß dem Anspruch 1 und durch ein Metallbauteil gemäß dem Anspruch 7.
-
Bei dem additiven Herstellungsverfahren, welches auch als 3D-Drucken bezeichnet werden kann, wird das Metallbauteil schichtweise mittels eines Lasers hergestellt. Vorzugsweise wird das Metallbauteil aus einem pulverförmigen Grundwerkstoff hergestellt. Ein derartiger pulverförmiger Grundwerkstoff liegt während des Herstellungsverfahrens an einer Verarbeitungsstelle vor, wobei an der Verarbeitungsstelle mittels des Lasers der Metallwerkstoff des Metallbauteils, insbesondere durch Schmelzen des Grundwerkstoffs, erzeugt wird. Der pulverförmige Grundwerkstoff kann dabei vorzugsweise Schicht für Schicht auf ein Pulverbett aufgebracht werden und anschließend mittels des Lasers geschmolzen werden. Alternativ kann der pulverförmige Grundwerkstoff auch, beispielsweise mittels einer Düse, auf die Verarbeitungsstelle aufgebracht und gleichzeitig mittels des Lasers geschmolzen werden.
-
Zumindest ein Bereich des Metallbauteils wird dabei aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung gebildet. Vorzugsweise liegt somit nach der Herstellung das fertige Metallbauteil vor, wobei zumindest der Bereich des fertigen Metallbauteils aus der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung gebildet ist. Der „Bereich“ kann auch das gesamte Metallbauteil sein. Bevorzugt weist dabei der, insbesondere pulverförmige, Grundwerkstoff, vor der Herstellung des Metallbauteils eine entsprechende Werkstoffzusammensetzung auf, um die übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung bilden zu können. Besonders bevorzugt liegt hierbei ein Grundwerkstoff aus pulverförmigem Aluminium sowie pulverförmigem Silizium mit einem entsprechenden Mischungsverhältnis vor. Nach der Herstellung weist dieser Metallwerkstoff somit die übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung auf.
-
Während der Herstellung des Metallbauteils wird zumindest ein Laserprozessparameter und/oder eine Pulverzusammensetzung, insbesondere des Grundwerkstoffs, so verändert, um entlang zumindest einer Raumrichtung einen Werkstoffgradienten in dem Bereich des Metallbauteils zu erzeugen. Als Werkstoffgradient wird dabei eine Änderung von zumindest einer Werkstoffeigenschaft angesehen. Insbesondere betrifft der Werkstoffgradient dabei eine Änderung einer Werkstoffeigenschaft in dem fertiggestellten Metallbauteil. Vorzugsweise entspricht der Werkstoffgradient dabei einer stetigen Änderung der Werkstoffeigenschaft; das heißt, dass keine sprunghafte Änderung, wie beispielsweise bei einem Übergang zweier unterschiedlicher Werkstoffe, vorliegt, sondern eine kontinuierliche Änderung. Bevorzugt liegt die Änderung der Werkstoffeigenschaften dabei in einer beliebigen Raumrichtung vor. Beispielsweise kann diese Änderung innerhalb einer einzelnen Schicht vorliegen. Alternativ oder zusätzlich ist auch ein Werkstoffgradient dadurch möglich, dass von Schicht zu Schicht eine Änderung der Werkstoffeigenschaft vorliegt. Der Werkstoffgradient kann vorzugsweise als eine Änderung in einer oder mehrerer der folgenden Werkstoffeigenschaften gebildet sein: Härte, Bruchzähigkeit, Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Korngröße, Porengröße. Das heißt, beispielsweise kann das Metallbauteil so hergestellt werden, dass ein Werkstoffgradient in Form einer zunehmenden Härte in genau einer Raumrichtung vorliegt.
-
Durch die Kombination aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung und Werkstoffgradienten im selben Bereich des herzustellenden Metallbauteils kann somit ein optimal an unterschiedliche Belastungen angepasstes Metallbauteil hergestellt werden, indem ein inhomogenes Eigenschaftsprofil des Metallbauteils erzeugt wird. Dadurch können hochbelastete Stellen des Metallbauteils entsprechend eine lokal optimierte hohe Festigkeit aufweisen. An weniger beanspruchten Stellen kann eine geringere Festigkeit und/oder Wandstärke, oder dergleichen vorgesehen sein, wobei hierdurch insbesondere Material eingespart werden kann. Beispielsweise kann bei lokal niedrigeren Anforderungen an die Festigkeit auch ein kostengünstiger Grundwerkstoff verwendet werden. Das additive Herstellungsverfahren erlaubt somit insbesondere eine Reduktion von Material bei der Herstellung von Metallbauteilen, und damit besonders niedrige Kosten bei der Herstellung und zudem ein niedriges Gewicht des fertiggestellten Metallbauteils. Insbesondere ermöglicht die additive Herstellung gestalterische Freiheiten bei der Herstellung des Metallbauteils, wobei beispielsweise auch Hinterschnitte erzeugt werden können. Dadurch ist es möglich, Metallbauteile mit einem optimalen Verhältnis aus Gewicht und Festigkeit herzustellen.
-
Vorzugsweise beträgt ein Silizium-Anteil der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung mindestens 13 Massen-%, bevorzugt mindestens 17 Massen-%, besonders bevorzugt maximal 25 Massen-%, um eine besonders hohe Festigkeit des Bereichs des Metallbauteils zu erreichen. Vorteilhafterweise kann der Silizium-Anteil dabei innerhalb des Bereichs in zumindest einer Raumrichtung variieren, um eine besonders günstige Anpassung der Werkstoffeigenschaften an die Belastungen des Metallbauteils zu erreichen. Vorzugsweise kann für eine solche Änderung des Silizium-Anteils die Pulverzusammensetzung des, insbesondere während der Herstellung zugeführten, pulverförmigen Grundwerkstoffs verändert werden.
-
Bevorzugt bildet der Bereich, welcher aus der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung gebildet ist, eine Oberfläche des Metallbauteils. Das heißt, beim fertiggestellten Metallbauteil liegt die Aluminium-Silizium-Legierung an der Oberfläche, sowie vorzugsweise in einem Randbereich, des Metallbauteils vor. Dadurch ist es möglich, harte Verschleißschutzschichten an dem Metallbauteil vorzusehen, da die übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung eine sehr hohe Verschleißfestigkeit aufweist.
-
Besonders bevorzugt wird das Metallbauteil durch schichtweisen Aufbau entlang einer Aufbaurichtung hergestellt, wobei jede Schicht in einer zu der Aufbaurichtung senkrechten Schichtebene in Form von zumindest einer Schweißraupe erzeugt wird. Vorzugsweise werden pro Schicht mehrere Schweißraupen nacheinander erzeugt, wobei insbesondere zwischen der Erzeugung aufeinanderfolgender Schweißraupen eine Pause vorliegt, wobei der Laser während der Pause keinen pulverförmigen Grundwerkstoff schmilzt. Der Werkstoffgradient wird dadurch erzeugt, dass die Änderung des zumindest einen Laserprozessparameters und/oder der Pulverzusammensetzung während der, insbesondere kontinuierlichen, Erzeugung einer einzelnen Schweißraupe erfolgt. Das heißt, während der Laser aus dem pulverförmigen Grundwerkstoff die einzelne zusammenhängende Schweißraupe erzeugt, wird zumindest ein Verfahrensparameter so verändert, dass in dieser Schweißraupe der Werkstoffgradient entsteht. Damit kann eine besonders präzise lokale Anpassung der Werkstoffeigenschaften in dem herzustellenden Metallbauteil erreicht werden.
-
Vorzugsweise wird zur Erzeugung des Werkstoffgradienten einer oder mehrere der nachfolgend genannten Laserprozessparameter während der Herstellung des Metallbauteil verändert: Vorschubgeschwindigkeit eines Laserspots, Laserleistung, Schweißraupengröße, Pausenzeit und/oder Kühlung zwischen aufeinanderfolgenden Laserpulsen. Besonders günstig ist dabei eine Kombination mehrerer Laserprozessparameter miteinander. Beispielsweise kann eine Volumenenergiedichte, welche sich zusammensetzt aus Vorschubgeschwindigkeit des Laserspots, Laserleistung und Schweißraupengröße, angepasst werden, um die Werkstoffeigenschaften des herzustellenden Metallbauteils optimal zu beeinflussen. Beispielsweise kann durch Erhöhung der Volumenenergiedichte während der Erzeugung der Schweißraupe die Streckgrenze und das E-Modul des Metallbauteils lokal erhöht werden. Durch Erhöhung der Pausenzeiten und/oder der Kühlung zwischen den einzelnen Laserpulsen, was zusammengefasst als Kühlmethode bezeichnet werden kann, kann insbesondere ein Porenbild des herzustellenden Metallbauteils optimiert werden. Die Pausenzeit ist dabei insbesondere definiert als die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Laserpulsens, wobei jeder Laserpuls vorzugsweis für die Herstellung jeweils einer separaten Schweißraupe verwendet wird. Alternativ kann auch während der Erzeugung einer einzelnen Schweißraupe, beispielsweise mittels gepulster Laserstrahlung, die Pausenzeit zwischen den einzelnen Laserpulsen angepasst werden. Für eine Kühlung kann vorzugsweise eine Luftströmung zur konvektiven Kühlung der erzeugten Schweißraupe verwendet werden. Somit bieten sich vielfältige Möglichkeiten um auf einfache Art und Weise den Werkstoffgradienten zu erzeugen, und somit belastungsgerecht optimierte Bauteile herzustellen.
-
Besonders bevorzugt wird das Metallbauteil mittels Laserauftragschweißen hergestellt. Dabei wird der pulverförmige Grundwerkstoff, beispielsweise mittels einer Düse, auf eine Verarbeitungsstelle aufgebracht und gleichzeitig mittels des Lasers aufgeschmolzen, insbesondere um durch Oberflächenauftrag die zumindest eine Schweißraupe, aus der das Metallbauteil nach und nach erzeugt wird, herzustellen. Beispielsweise kann durch die Düse noch zusätzlich ein Schutzgas auf die Verarbeitungsstelle aufgebracht werden. Beim Laserauftragschweißen können dabei besonders flexibel und einfach eine Vielzahl an Verfahrensparameter angepasst, und insbesondere gleichzeitig, verändert werden, um die erwünschten, sich in der zumindest einen Raumrichtung ändernden Werkstoffeigenschaften zu erzeugen.
-
Mit dem beschriebenen additiven Herstellungsverfahren können grundsätzlich Metallbauteile mit beliebiger Geometrie hergestellt werden.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass mit dem additiven Herstellungsverfahren ein Metallbauteil hergestellt wird, welches ein Schwenklager oder ein Radträger ist. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um ein Schwenklager oder einen Radträger, insbesondere eines Fahrzeugs, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs. Bei solchen Bauteilen liegt üblicherweise eine sehr unterschiedlich über das Bauteil verteilte mechanische Belastung vor, sodass eine entsprechend belastungsgerechte Herstellung zu einer signifikanten Materialeinsparung, und damit zu einer Volumen- und/oder Gewichtsreduktion sowie einer Kosteneinsparung führen kann. Durch die spezielle Kombination aus Werkstoffgradient und übereutektischer Aluminium-Siliziumlegierung kann dabei eine optimale Konstruktion solcher Bauteile erfolgen. Beispielsweise können sehr unterschiedliche Werkstoffeigenschaften in einem Bauteil kombiniert werden, um je nach lokalen Anforderungen an die Festigkeit oder Zähigkeit, oder dergleichen, optimale Werkstoffeigenschaften des Bauteils herzustellen. Dadurch ist es, insbesondere im Vergleich zu Gießverfahren, mittels welchen derartige Bauteile üblicherweise hergestellt werden, möglich, an weniger belasteten Stellen Material einzusparen und/oder einen günstigeren Werkstoff und/oder einen leichteren Werkstoff und/oder Bauteilhinterschneidungen vorzusehen, um ein besonders kostengünstiges und gewichtsoptimiertes Metallbauteil bereitzustellen.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels genauer erläutert. Hierzu zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Metallbauteil, welches mittels eines additiven Herstellungsverfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt ist, und
- 2 das Metallbauteil der 1 während der Herstellung mittels des additiven Herstell ungsverfahrens.
-
Im Folgenden wird ein Metallbauteil 1, welches mittels eines additiven Herstellungsverfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt wird, erläutert. Dabei wird auf die 1 und 2 Bezug genommen. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind stets mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt das fertiggestellte Metallbauteil 1 und 2 zeigt das Metallbauteil 1 während der Herstellung mittels des additiven Herstellungsverfahrens, wobei die Herstellung stark vereinfacht schematisch dargestellt ist.
-
Bei dem Metallbauteil 1 handelt es sich um ein Schwenklager eines Kraftfahrzeugs. Derartige Schwenklager sind im Betrieb hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt, wobei diese Belastungen über das Bauteil stark lokal verteilt auftreten können. Besonders hohe Belastungen treten beispielsweise im Bereich von Aufnahmen 20 auf, an welchen das Metallbauteil 1 mit weiteren Bauteilen, wie beispielsweise Schrauben oder Wellen, mechanisch verbindbar ist. An diesen Aufnahmen 20 können Kräfte auf das Metallbauteil 1 übertragen werden, sodass in umliegenden Bereichen des Metallbauteils 1 lokal hohe Spannungen auftreten können. Zentrale Bereiche 30 des Metallbauteils1 sind dabei mechanisch weniger belastet.
-
Um eine belastungsgerechte und gewichtsoptimierte Konstruktion des Metallbauteils 1 zu bieten, sind die die Aufnahmen 20 umgebenden Bereiche 2, welche in der 1 schraffiert dargestellt sind, aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung gebildet und weisen einen Werkstoffgradienten auf. Der Werkstoffgradient ist dabei in 1 an einem Hebelarm 1a des Metallbauteils 1 schematisch durch eine sich entlang einer Raumrichtung 5 ändernde Schraffur angedeutet. Der Hebelarm 1a ist dabei vollständig aus der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung gebildet.
-
Die übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung weist einen Silizium-Anteil von mehr als 17% auf. Dadurch bewirkt die übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung eine besonders hohe Festigkeit des Metallbauteils 1 in den Bereichen 2, um mit niedrigem Materialeinsatz und geringen Bauteilquerschnitten eine hohe mechanische Belastbarkeit zu ermöglichen. Insbesondere liegt die übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung hierbei auch an einer Oberfläche 4 des Metallbauteils 1 vor, wodurch eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit an den Bereichen 2 erzielt wird.
-
Der Werkstoffgradient ist ferner gekennzeichnet durch eine kontinuierliche Änderung von zumindest einer Werkstoffeigenschaft entlang der Raumrichtung 5. Insbesondere nehmen dabei eine Härte und eine Bruchzähigkeit entlang der Raumrichtung 5 kontinuierlich zu.
-
Durch die Kombination aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung und Werkstoffgradient, jeweils in den Bereichen 2 des Metallbauteils 1, kann somit ein optimal an unterschiedlichste Belastungen angepasstes Metallbauteil 1 erhalten werden, indem ein inhomogenes Eigenschaftsprofil in dem Metallbauteil 1 erzeugt wird. Dadurch können hochbelastete Stellen, nämlich die Bereiche 2 an den Aufnahmen 20, entsprechend mit einer lokal optimierten hohen Festigkeit hergestellt werden. An weniger beanspruchten Stellen kann eine geringere Festigkeit und/oder Wandstärke vorgesehen sein, wobei hierdurch insbesondere Kosten und Material eingespart werden.
-
Die Herstellung des Metallbauteils 1 mittels des additiven Herstellungsverfahrens erfolgt dabei wie nachfolgend anhand der 2 beschrieben, welche stark vereinfacht schematisch die Herstellung des Metallbauteils 1 zeigt. Gezeigt ist dabei ein Zustand, in welchem das Metallbauteil 1 teilweise bereits hergestellt wurde.
-
Bei dem additiven Herstellungsverfahren handelt es sich um Laserauftragschweißen, wobei ein pulverförmiger Grundwerkstoff auf eine Verarbeitungsstelle 11 in einer Schichtebene E aufgebracht und gleichzeitig mittels eines Laserstrahls geschmolzen wird, um nach Erstarren den endgültigen Werkstoff des Metallbauteils 1 zu bilden. Der pulverförmige Grundwerkstoff und der Laserstrahl werden durch eine Laservorrichtung 10 fokussiert auf die Verarbeitungsstelle 11 aufgebracht, was schematisch durch das Bezugszeichen 12 angedeutet ist. Die Laservorrichtung 10 führt die Verarbeitungsstelle 11 in einer Schweißrichtung 9 über den bereits fertiggestellten Teil 13 des Metallbauteils 1. Hierbei werden mehrere zusammenhängende Schweißraupen 8 erzeugt, wodurch entlang einer Aufbaurichtung 6 mehrere Schichten 7 jeweils in einer Schichtebene E hergestellt werden, um durch schichtweise Herstellung das Metallbauteil 1 zu bilden.
-
Während der Erzeugung der zusammenhängenden Schweißraupe wird dabei eine Volumenenergiedichte, welche sich aus Vorschubgeschwindigkeit des Laserspots, einer Laserleistung und einer Breite der Schweißraupe 8 zusammensetzt, erhöht. Dadurch wird entlang der Schweißrichtung 9 eine zunehmende Streckgrenze und ein zunehmendes E-Modul in dem Metallbauteil 1 erzeugt. Dadurch ergeben sich entlang der Schweißrichtung zähere Werkstoffeigenschaften, um ein belastungsgerecht optimiertes Metallbauteil 1 zu erhalten.
-
Neben einer Änderung der Laserprozessparameter kann auch eine Änderung einer Pulverzusammensetzung des zu schweißenden pulverförmigen Grundwerkstoffs während des Schweißvorgangs erfolgen. Beispielsweise kann dabei ein Siliziumanteil der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung entlang der Schweißrichtung 9 verändert werden, um dem Werkstoffgradienten zu erhalten. Insbesondere kann der Siliziumanteil beispielsweise auch so weit verringert werden, bis eine eutektische oder eine untereutektische Aluminium-Silizium-Legierung vorliegt. Vorzugsweise kann somit durch Änderung der Pulverzusammensetzung ein kontinuierlicher Übergang von der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung hin zu einer untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung erzeugt werden.
-
Das additive Herstellungsverfahren bietet somit eine hohe Gestaltungsfreiheit bei der Herstellung des Metallbauteils 1. Beispielsweise können auch Hinterschnitte am Metallbauteil 1 erzeugt werden. Insbesondere erlaubt das additive Herstellungsverfahren eine lokale Reduktion von Material bei der Herstellung des Metallbauteils 1, wodurch besonders niedrige Kosten bei der Herstellung und zudem ein niedriges Gewicht des fertiggestellten Metallbauteils 1 erreicht werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Metallbauteil
- 1a
- Hebelarm
- 2
- Bereich
- 4
- Oberfläche
- 5
- Raumrichtung
- 6
- Aufbaurichtung
- 7
- Schicht
- 8
- Schweißraupe
- 9
- Schweißrichtung
- 10
- Laservorrichtung
- 11
- Verarbeitungsstelle
- 12
- pulverförmiger Grundwerkstoff; Laserstrahl
- 20
- Aufnahme
- 30
- Zentraler Bereich
- E
- Schichtebene
-
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
-
