-
Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere für ein Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils.
-
Der
DE 10 2015 221 643 A1 ist eine Aluminiumlegierung als bekannt zu entnehmen, welche 3,5 bis 6,0 Gewichtsprozent (Gew.-%) Magnesium aufweist. Des Weiteren offenbart die
DE 10 2019 106 979 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Aluminiumlegierungsteils, wobei ein Aluminiumlegierungspulver-Zuführungsmaterial bereitgestellt wird.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bauteil und ein Verfahren zu schaffen, so dass Bauteil auf besonders vorteilhafte Weise hergestellt werden kann.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
-
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil, vorzugsweise für ein Fahrzeug. Somit gehört zur Erfindung vorzugsweise auch eine Verwendung des Bauteils, wobei das Bauteil für ein beziehungsweise in einem Fahrzeug, insbesondere für ein beziehungsweise in einem Kraftfahrzeug, verwendet wird. Das Bauteil ist zumindest in einem Teilbereich mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Dabei ist zumindest der Teilbereich aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Mit anderen Worten ist das Bauteil zumindest in einem Teilbereich aus einer Aluminiumlegierung mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt, wobei das additive Fertigungsverfahren auch als generatives Fertigungsverfahren bezeichnet wird. Unter dem Merkmal, dass das Bauteil zumindest in dem Teilbereich mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist, ist insbesondere zu verstehen, dass das Bauteil vollständig oder zumindest teilweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist beziehungsweise wird. Zumindest der Teilbereich ist somit ein additiv hergestelltes Bauteilvolumen, welches aus der genannten Aluminiumlegierung, welche auch als Aluminium-Basislegierung bezeichnet wird, hergestellt ist beziehungsweise wird.
-
Die Aluminiumlegierung weist 12 Gew.-% bis 40 Gew.-% Silizium auf. Mit anderen Worten weist die Aluminiumlegierung und somit zumindest das additiv hergestellte Bauteilvolumen einen Siliziumgehalt von 12 Gew.-% bis 40 Gew.-% auf. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist Silizium eine erste Komponente der Aluminiumlegierung, wobei die erste Komponente einen Massenanteil von 12 Prozent (%) bis 40% aufweist. Des Weiteren weist die Aluminiumlegierung 2,1 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% Magnesium auf. Dies bedeutet, dass Magnesium eine zweite Komponente der einfach auch als Legierung bezeichneten Aluminiumlegierung ist, wobei die zweite Komponente einen Massenanteil von 2,1% bis 0,5% aufweist. Mit anderen Worten ausgedrückt liegt der Massenanteil der ersten Komponente in einem Bereich von einschließlich 12% bis einschließlich 40%, und der Massenanteil der zweiten Komponente liegt in einem Bereich von einschließlich 2,1% bis 5,0%. Als Rest weist die Aluminiumlegierung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung Aluminium mit einzeln jeweils maximal 0,3 Gew.-% und insgesamt maximal 1,5 Gew.-% weiteren Begleitelementen und/oder herstellungsbedingten Verunreinigungen auf.
-
Die Erfindung stellt somit das Bauteil bereit, welches zumindest teilweise oder vollständig durch additive Fertigung, das heißt durch das additive Fertigungsverfahren hergestellt ist, wobei das Bauteil zumindest in dem additiv gefertigten Teilbereich aus der beschriebenen Aluminiumlegierung besteht und somit dort eine sehr hohe Festigkeit aufweist. Unter der Aluminiumlegierung ist eine Aluminium-Basislegierung zu verstehen, die zumindest 50 Gew.-% aus Aluminium (AI) gebildet ist und weitere Legierungselemente, wie beispielsweise Silizium (Si), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg), Zirkonium (Zr) und Mangan (Mn) enthalten kann.
-
Das additive Fertigungsverfahren ist ein additiver Fertigungsprozess und stammt beispielsweise aus der Gruppe 3D-Druck, selektives Laserschmelzen, selektives Elektronenstrahlschmelzen, selektives Lasersintern, selektives Elektronenstrahlsintern, Drahtauftragsschweißen und Pulverauftragsschweißen. Ganz vorzugsweise handelt es sich bei dem additiven Fertigungsverfahren um 3D-Druck, das heißt um ein 3D-Druckverfahren. Wird ein beziehungsweise das Bauteil durch 3D-Drucken hergestellt, insbesondere vollständig 3D-gedruckt, so wird es üblicherweise auf einer Grundplatte aufgebaut. Auch ist vorstellbar, auf ein bestehendes Bauteil, beispielsweise auf ein Guss- oder ein Schmiedebauteil einen weiteren Bauteilabschnitt beziehungsweise das Bauteil beziehungsweise den Teilbereich aufzudrucken. In diesem Fall wird auf ein Grundmaterial aufgedruckt. Dadurch wird ein Hybridbauteil hergestellt.
-
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil, welches zumindest in einem Teilbereich mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist. Zumindest der Teilbereich ist aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, welche 12 Gew.-% bis 40 Gew. - % Silizium, 2,1 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% Magnesium, maximal 4,0 Gew.-% Kupfer, maximal 0,5 Gew.-% Zirkonium und als Rest Aluminium mit einzeln jeweils maximal 0,30 Gew.-% und insgesamt maximal 1,5 Gew.-% weiteren Begleitelementen und/oder herstellungsbedingten Verunreinigungen aufweist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
-
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Bei dem Verfahren wird ein Pulver oder ein Draht bereitgestellt. Das Pulver beziehungsweise der Draht ist ein Ausgangsmaterial, aus welchem das Bauteil beziehungsweise ein Teilbereich des Bauteils hergestellt wird. Dabei ist das Ausgangsmaterial, mithin das Pulver beziehungsweise der Draht aus einer Aluminiumlegierung gebildet, welche 12 Gew.-% bis 40 Gew.-% Silizium, 2,1 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% Magnesium, und als Rest Aluminium mit einzeln jeweils maximal 0,30 Gew.-% und insgesamt maximal 1,5 Gew.-% herstellungsbedingten Verunreinigungen und/oder weiteren Begleitelementen aufweist. Bei dem Verfahren wird zumindest ein Teilbereich des Bauteils aus dem Ausgangsmaterial, das heißt aus dem Pulver beziehungsweise aus dem Draht mittels zumindest eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
-
Schließlich betrifft ein vierter Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Bei dem Verfahren gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird ein als Pulver oder als Draht ausgebildetes Ausgangsmaterial, mithin ein Pulver oder ein Draht bereitgestellt. Das Ausgangsmaterial, mithin das Pulver beziehungsweise der Draht ist aus einer Aluminiumlegierung gebildet, welche 12 Gew.-% bis 40 Gew.-% Silizium, 2,1 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% Magnesium, maximal 4 Gew.-% Kupfer, maximal 0,5 Gew.-% Zirkonium (Zr) und als Rest Aluminium mit einzeln jeweils maximal 0,30 Gew.-% und insgesamt maximal 1,5 Gew.-% herstellungsbedingten Verunreinigungen und/oder weiteren Begleitelementen aufweist. Außerdem wird bei dem Verfahren gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung zumindest ein Teilbereich des Bauteils aus dem Pulver beziehungsweise aus dem Draht mittels zumindest eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten, zweiten und dritten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des vierten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
-
Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Eine Festigkeitssteigerung bei additiv gefertigten Aluminium-Basislegierungen kann durch unterschiedliche Legierungselemente erzeugt werden, wie zum Beispiel:
- - durch Silizium (Si): Silizium bildet insbesondere bei Anteilen von circa 7 oder mehr Gew.-% Silizium ein stabiles Gerüst, das dem Bauteil eine hohe Grundfestigkeit bietet.
- - durch Magnesium (Mg): Magnesium bildet mit Silizium festigkeitssteigernde Ausscheidungen.
- - durch Kupfer (Cu): Kupfer bildet mit Aluminium festigkeitssteigernde Ausscheidungen.
- - durch Zirkonium (Zr): Zirkonium bildet mit Aluminium festigkeitssteigernde Ausscheidungen.
- - Die Festigkeitssteigerung des Materials durch oben genannte Ausscheidungshärtung ist bei geeigneter Wärmeführung während des additiven Fertigungsprozesses und/oder mindestens eines separaten Wärmebehandlungsprozesses gezielt steuerbar.
-
Vor dem oben genannten Hintergrund wurde überraschenderweise gefunden, dass sich durch einen Magnesiumgehalt von wenigstens 2,1 Gew.-% eine besonders vorteilhafte Festigkeit darstellen lässt. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Aluminiumlegierung 2,1 Gew.-% Magnesium bis 5,0 Gew.-% Magnesium umfasst. Es wurde ferner gefunden, dass Silizium-Gehalte von 12 Gew.-% und mehr sich zunächst förderlich Antriebsfunktion die Grundfestigkeit des Materials auswirken. Ferner wurde gefunden, dass durch geeignet gewählte Wärmebehandlungen es möglich ist, im Bedarfsfall eine Duktilität des Materials anzupassen, mithin eine hinreichende Duktilität zu realisieren. Eine solche Wärmebehandlung kann beispielsweise ein Lösungsglühen mit anschließender Kalt- und/oder Warmauslagerung sein oder eine Warmauslagerung ohne vorausgehendes Lösungsglühen. Eine weitere Wärmebehandlung wäre das Spannungsarmglühen.
-
Die Erfindung ermöglicht insbesondere die Realisierung einer besonders hohen Festigkeit im additiv gefertigten Teilbereich, insbesondere durch Verwendung der Aluminiumlegierung, welche vorzugsweise 14 Gew.-% Silizium und 2,5 Gew.-% Magnesium aufweist. Durch eine optionale Wärmebehandlung kann eine besonders hohe Festigkeit erreicht werden. Die optionale Wärmebehandlung kann im Zuge eines Fertigungsprozesses oder im Nachgang an einen Fertigungsprozess erfolgen. Beispielsweise kann es sich bei der Wärmebehandlung um eine Warmauslagerung handeln, die bei einer Temperatur und während einer Zeitspanne durchgeführt wird, wobei die Temperatur beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 150°C bis einschließlich 175°C, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 160°C bis einschließlich 170°C, liegt, und wobei die Zeitspanne vorzugsweise bis zu 12 Stunden, insbesondere bis zu 8 Stunden, lang ist beziehungsweise dauert. Die optionale Wärmebehandlung kann, insbesondere genau, einen oder mehrere Wärmebehandlungsschritte umfassen. Die optionale Wärmebehandlung kann am ganzen Bauteil oder nur an einem oder mehreren definierten Bauteilabschnitten erfolgen.
-
Insbesondere können durch die Erfindung die folgenden Vorteile realisiert werden:
- - Bereitstellung des Bauteils, welches zumindest teilweise additiv gefertigt ist und ein hohes Festigkeitspotenzial aufweist
- - Aufgrund des temperaturstabilen Siliziumgerüstes ist mit hohen Festigkeitskennwerten auch bei erhöhten Einsatztemperaturen zu rechnen.
- - Eine hohe Festigkeit bietet Leichtbaupotenzial, da das Bauteil mit geringeren Querschnitten dimensioniert werden kann.
- - Ein geringeres Bauteilvolumen bietet beim kostenintensiven 3D-Druck ein Kosteneinsparpotenzial, da weniger Pulver beziehungsweise Drahtmaterial zur Verwendung kommt und zudem die Druckzeit gegenüber herkömmlich gedruckten Bauteilen verringert ist.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische und geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bauteils; und
- 2 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des Bauteils.
-
1 zeigt in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht ein Bauteil 10, insbesondere für ein Fahrzeug wie beispielsweise ein Kraftfahrzeug. Das Bauteil 10 ist beispielsweise ein Bauteil einer Verbrennungskraftmaschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine ist vorzugsweise eine Hubkolbenmaschine. Das Bauteil 10 kann beispielsweise ein Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine sein.
-
Um besonders vorteilhafte, insbesondere mechanische, Eigenschaften des Bauteils 10 zu realisieren sowie das Bauteil 10 besonders vorteilhaft herstellen zu können, ist zumindest ein Teilbereich TB des Bauteils 10 aus einer Aluminiumlegierung mittels eines additiven Fertigungsverfahrens und somit additiv hergestellt. Insbesondere ist es denkbar, dass das Bauteil 10 vollständig mit mittels wenigstens eines oder mittels des additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass das Bauteil 10 vollständig aus der genannten Aluminiumlegierung gebildet ist. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass das Bauteil 10 abschnittsweise oder vollständig unter Verwendung mehrerer additiver Fertigungsverfahren hergestellt ist.
-
Die Aluminiumlegierung wird auch als Aluminium-Basislegierung und weist 12 Gew.-% bis 40 Gew.-% Silizium, 2,1 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% Magnesium, und als Rest Aluminium mit einzeln jeweils maximal 0,3 Gew.-% und insgesamt maximal 1,5 Gew.-% weiteren Begleitelementen und/oder herstellungsbedingten Verunreinigungen auf.
-
Alternativ weist die Aluminiumlegierung 12 Gew.-% bis 40 Gew.-% Silizium, 2,1 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% Magnesium, maximal 4,0 Gew.-% Kupfer, maximal 0,5 Gew.-% Zirkonium, und als Rest Aluminium mit einzeln jeweils maximal 0,30 Gew.-% und insgesamt maximal 1,5 Gew.-% weiteren Begleitelementen und/oder herstellungsbedingten Verunreinigungen auf.
-
2 zeigt ein Flussdiagramm, anhand dessen im Folgenden ein Verfahren zum Herstellen des Bauteils 10 veranschaulicht wird. Bei einem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird ein Ausgangsmaterial bereitgestellt. Dieses Ausgangsmaterial wird auch einfach als Material, Werkstoff oder Ausgangswerkstoff bezeichnet. Bei dem Ausgangsmaterial handelt es sich beispielsweise um einen Draht oder um ein Pulver, so dass bei dem ersten Schritt S1 des Verfahrens der Draht beziehungsweise das Pulver bereitgestellt wird. Das Ausgangsmaterial ist aus der zuvor genannten Aluminiumlegierung gebildet, so dass bei dem ersten Schritt S1 des Verfahrens die zuvor beschriebene Aluminiumlegierung in Draht- oder Pulverform bereitgestellt wird.
-
Bei einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens wird zumindest der Teilbereich TB des Bauteils 10 aus dem Ausgangsmaterial, das heißt aus dem Pulver beziehungsweise aus dem Draht, mittels des zuvor genannten, additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Dies bedeutet, dass bei dem zweiten Schritt S2 des Verfahrens das additive Fertigungsverfahren durchgeführt wird. Mittels des additiven Fertigungsverfahrens wird das Bauteil 10 zumindest in dem Teilbereich TB aus der Aluminiumlegierung additiv gefertigt, das heißt additiv hergestellt.
-
Bei beziehungsweise nach dem zweiten Schritt S2 wird das Bauteil 10 bereitgestellt, welches vollständig oder zumindest teilweise mittels des additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist beziehungsweise wurde. Das additive Fertigungsverfahren ist beispielsweise ein aus der folgenden Gruppe ausgewähltes Verfahren: selektives Laserschmelzen, selektives Elektronenstrahlschmelzen, selektives Lasersintern, selektives Elektronenstrahlsintern, Drahtauftragsschweißen und Pulverauftragsschweißen. Es ist denkbar, dass mehrere additive Fertigungsverfahren aus der genannten Gruppe kombiniert werden, um das Bauteil 10 zumindest teilweise, insbesondere zumindest im Teilbereich TB, herzustellen.
-
Nach dem zweiten Schritt S2 des Verfahrens, insbesondere nach dem Bereitstellen des Bauteils 10, wird vorzugsweise und somit optional ein dritter Schritt S3 des Verfahrens durchgeführt. Da der dritte Schritt S3 optional ist, kann der dritte Schritt S3 entfallen. Bei dem dritten Schritt S3 des Verfahrens wird das Bauteil 10 zumindest teilweise, insbesondere zumindest in dem Teilbereich TB, wenigstens oder genau einem Wärmebehandlungsverfahren unterzogen. Bei dem Wärmebehandlungsverfahren kann es sich um Spannungsarmglühen. Beispielsweise alternativ zu dem Spannungsarmglühen kann ein Lösungsglühen mit anschließendem Warmauslagern durchgeführt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Bauteil
- S1
- erster Schritt
- S2
- zweiter Schritt
- S3
- dritter Schritt
- TB
- Teilbereich
-
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 102015221643 A1 [0002]
- DE 102019106979 A1 [0002]
