DE102020213292A1

DE102020213292A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bauteileverbunds und Bauteileverbund

Info

Publication number: DE102020213292A1
Application number: DE102020213292.5A
Authority: DE
Inventors: Lukas Loeber; Marius Winter; Benjamin Seitz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteileverbunds (100), der aus wenigstens zwei, zumindest mittelbar miteinander verbundenen Bauteilen (12; 12a bis 12h, 14) aus unterschiedlichen Materialien besteht, einem ersten Bauteil (12; 12a bis 12h), das an einer einem zweiten Bauteil (14) zugewandten Kontaktoberfläche (18) Strukturen (20) aufweist, wobei die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen (12; 12a bis 12h, 14) durch Ausfüllen der Strukturen (20) durch das Material des zweiten Bauteils (14) erzeugt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteileverbunds, insbesondere eines aus zwei unterschiedlichen Metallen bestehenden Bauteileverbunds. Ferner betrifft die Erfindung einen insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteileverbund.
Stand der Technik
Aus der EP 2 307 187 B1 der Anmelderin ist ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteileverbunds mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Der bekannte Bauteileverbund besteht aus einem ersten Bauteil, das insbesondere aus Metall besteht, und einem zweiten Bauteil, das aus Kunststoff besteht, wobei der Bauteileverbund durch bereichsweises Umspritzen des ersten Bauteils an einer Kontaktoberfläche mit dem verflüssigtem Material des zweiten Bauteils zur Ausbildung einer Formschlussverbindung erfolgt. Wesentlich bei dem aus der genannten Schrift bekannten Verfahren ist es darüber hinaus, dass das erste Bauteil an der Kontaktoberfläche zum zweiten Bauteil eine Strukturen aufweisende Oberfläche aufweist, die eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur hat.
Weiterhin ist aus der EP 3 156 164 A1 ein Verfahren zum generativen Herstellen eines Werkstücks bekannt, bei dem das Material des Werkstücks durch Auftragen bzw. Ablagern an einer Kontaktfläche eines anderen Bauteils erfolgt. Das andere Bauteil weist dabei keine ebene bzw. glatte Oberfläche auf, sondern eine Strukturierung. Das aus der genannten Schrift bekannte Verfahren umfasst darüber hinaus stets ein Trennen des im generativen Verfahren hergestellten Bauteils von dem Bauteil, auf dessen Oberfläche das Bauteil erzeugt wird.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Bauteileverbunds mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es insbesondere im Zusammenhang mit aus zwei unterschiedlichen Metallen bestehenden Bauteilen, die aufgrund ihrer physikalischen bzw. chemischen Eigenschaften nicht stoffschlüssig miteinander verbunden werden können, eine Verbindung der Bauteile zu dem Bauteileverbund ermöglicht, wobei gleichzeitig eine relativ hohe Fertigungsrate erzielt werden kann, d.h., dass der Bauteileverbund in relativ kurzer Zeit ausgebildet werden kann.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen insbesondere nicht im generativen Verfahren und dadurch relativ preiswert und schnell hergestellten Grundkörper als erstes Bauteil auszubilden, auf dessen dem zweiten Bauteil zugewandter Kontaktfläche das zweite Bauteil im generativen Herstellverfahren erzeugt wird. Wesentlich ist zur Ausbildung einer dauerhaften Verbindung zwischen den beiden Bauteilen des Bauteileverbunds, dass im Kontaktbereich der beiden Bauteile eine formschlüssige Verbindung ausgebildet wird. Hierzu ist in dem Grundkörper bzw. dem ersten Bauteil eine entsprechende Strukturierung vorgesehen.
Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass das erfindungsgemäße Verfahren es vorsieht, dass das zweite Bauteil durch einen generativen Herstellprozess auf der dem zweiten Bauteil zugewandten Kontaktoberfläche des ersten Bauteils erzeugt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteileverbunds sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich dazu geeignet ist, das zweite Bauteil durch beliebige generative Herstellverfahren erzeugen zu können, ist es besonders bevorzugt vorgesehen, wenn das zweite Bauteil durch selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen unter Verwendung von pulverförmigem Material erzeugt wird. Derartige, aus dem Stand der Technik bekannte Fertigungsverfahren sind prozesstechnisch gut reproduzierbar bzw. steuerbar und zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass nahezu beliebige Formen von zweiten Bauteilen erzeugt werden können.
Wie bereits eingangs erläutert, ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere, einen Bauteileverbund auszubilden, bei dem die beiden Bauteile aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere aus unterschiedlichen Metallen besteht, die artungleich sind und daher keine zuverlässige stoffschlüssige Verbindung ausbilden können.
Eine weitere Optimierung der Verbindung zwischen den beiden Bauteilen, insbesondere bei artfremden Metallen, kann vorsehen, dass vor dem Erzeugen des zweiten Bauteils bei der Verwendung von artfremden Materialien auf der Kontaktoberfläche des ersten Bauteils eine Pufferschicht, vorzugsweise Metall enthaltend, aufgebracht wird. Beispielsweise kann bei einem ersten Bauteil, das aus Kupfer besteht, und einem zweiten Bauteil, das aus Aluminium besteht, die Pufferschicht zwischen dem Kupfer und dem Aluminium einen Silberanteil enthalten. Dadurch werden Sprödphasen im Übergangsbereich zwischen den Materialien der beiden Bauteile vermieden.
Um reproduzierbare Strukturen an dem ersten Bauteil erzeugen zu können, bei denen sich die Festigkeiten der Bauteileverbunde untereinander nicht oder nur unwesentlich unterscheiden, ist es insbesondere vorgesehen, dass die Strukturen Rillen aufweisen, die die durch ein geometrisch bestimmtes Bearbeitungsverfahren, beispielsweise Drehen, Fräsen, Räumen, ein funkenerodierendes Verfahren, eine Laserstrahlbearbeitung oder durch ein umformendes Verfahren, erzeugt werden. Dadurch lassen sich reproduzierbare Strukturen erzeugen, um die gewünschten Eigenschaften des Bauteileverbunds hinsichtlich seines Zusammenhalts der beiden Bauteile zu gewährleisten.
Weiterhin umfasst die Erfindung einen Bauteileverbund, der insbesondere nach einem soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Dabei besteht der Bauteileverbund aus einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, wobei das erste Bauteil auf einer dem zweiten Bauteil zugewandten Seite eine Strukturen aufweisende Kontaktoberfläche aufweist, wobei in die Strukturen Material des zweiten Bauteils unter Ausbildung einer Formschlussverbindung zwischen den beiden Bauteilen angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das zweite Bauteil als generativ hergestelltes Bauteil ausgebildet ist.
Eine besonders gute Verbindung zwischen den beiden Bauteilen wird erzeugt, wenn die Strukturen in Form von Rillen ausgebildet sind, wobei die Rillen gleichzeitig Hinterschnitte aufweisen. Dadurch wird ein besonders guter Formschluss zwischen den beiden Bauteilen an der Kontaktoberfläche erzielt.
Besonders bevorzugt findet der Bauteileverbund Verwendung bei ersten Bauteilen, die aus Kupfer, und zweiten Bauteilen, die aus Aluminium bestehen, wobei die Bauteileverbunde als Kühlelemente ausgebildet sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
Figurenliste

1 zeigt einen Schnitt durch einen Bauteileverbund, bei dem ein zweites Bauteil durch einen generativen Herstellprozess erzeugt und durch eine stoffschlüssige Verbindung mit einem ersten Bauteil verbunden wird,
2 ein gegenüber 1 modifiziertes erstes Bauteil mit einer Pufferschicht in einem Schnitt,
3a bis 3d jeweils in vereinfachten Schnittdarstellungen, unterschiedliche Formen von Strukturen an dem ersten Bauteil in Rillenform und
4a bis 4d jeweils unterschiedliche Formen von Hinterschnitte aufweisenden Strukturen an dem ersten Bauteil in Schnittdarstellungen.

Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist ein Bauteileverbund 100 während seiner Entstehung dargestellt. Der Bauteileverbund 100 umfasst ein erstes Bauteil 12 und ein zweites Bauteil 14, die durch eine stoffschlüssige Verbindung miteinander verbunden sind. Insbesondere bestehen die beiden Bauteile 12, 14 aus unterschiedlichen Materialien, vorzugsweise aus unterschiedlichen Metallen. Beispielsweise besteht das erste Bauteil 12 aus Kupfer und das zweite Bauteil 14 aus Aluminium.
Wesentlich ist, dass das erste Bauteil 12 als Bauteil, welches urformend, umformend, spanend oder abtragend, beispielsweise in Form eines Fräs- oder Gussteils, ausgebildet ist und einen Grundkörper darstellt, an dessen dem zweiten Bauteil 14 zugewandter Seite 16 das zweite Bauteil 14 durch einen generativen Herstellprozess aufgebaut bzw. gefertigt wird. Hierzu findet beispielhaft ein in der 1 dargestellter Laserstrahl 1 Verwendung, der im Rahmen eines selektiven Laserschmelzens unter Verwendung von pulverförmigem Material - wie aus dem Stand der Technik bereits bekannt und daher nicht im Einzelnen erläutert - das zweite Bauteil 14 erzeugt. Dies erfolgt durch selektives Aufschmelzen und anschließendes Erstarren von sukzessiv übereinander angeordneten Pulverschichten. Anstelle des selektiven Laserschmelzens kann natürlich auch das aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannte Elektronenstrahlschmelzen Verwendung finden.
Das erste Bauteil 12 weist auf der dem zweiten Bauteil 14 zugewandten Seite 16 eine Kontaktoberfläche 18 auf, in der Strukturen 20 ausgebildet sind. Die Strukturen 20 sind in der Schnittdarstellung in Form von Hinterschnitten 22 ausgebildet, sodass beim Einbringen des Materials bzw. Pulvers des zweiten Bauteils 14 und nachfolgendem Aufschmelzen bzw. Erstarren eine Formschlussverbindung zwischen den beiden Bauteilen 12, 14 durch die Strukturen 20 erzeugt wird. Insbesondere sind die Strukturen 20 darüber hinaus in Art von vorzugsweise parallel zueinander angeordneten Rillen 24 ausgebildet, die senkrecht zur Zeichenebene der 1 verlaufen.
Ergänzend wird erwähnt, dass die Rillen 24 auch nicht parallel zueinander angeordnet sein können, in Form von nicht geradlinig ausgebildeten Rillen 24 oder als Kreuzlinienstruktur ausgebildet sein können.
In der 2 ist dargestellt, dass das zweite Bauteil 14 zusätzlich im Bereich der Kontaktoberfläche 18 zum zweiten Bauteil 14 mit einer Pufferschicht 26 versehen sein kann. Dies vermeidet insbesondere sogenannte Sprödphasen bei der Verbindung zweier artungleicher Metalle, beispielsweise Kupfer und Aluminium. Hierzu kann die Pufferschicht 26 auf an sich bekannte Art und Weise durch Abscheiden bzw. Beschichten auf das erste Bauteil 12 im Bereich der Kontaktoberfläche 18 aufgebracht worden sein. Insbesondere weist die Pufferschicht 26 bei der Verwendung von Kupfer für das erste Bauteil 12 und Aluminium für das zweite Bauteil 14 Silber als Bestandteil auf.
In den 3a bis 3d sind Schnitte durch unterschiedliche Strukturen 20 an ersten Bauteilen 12a bis 12d dargestellt. Die Querschnitte der Strukturen 20 bzw. der ersten Bauteile 12a bis 12d zeichnen sich insgesamt dadurch aus, dass diese keine Hinterschnitte 22 aufweisen. Bei dem ersten Bauteil 12a sind die Rillen 24 dreiecksförmig ausgebildet. Demgegenüber sind bei dem ersten Bauteil 12b gemäß der 3b die Rillen 24 im Querschnitt trapezförmig ausgebildet. Bei dem ersten Bauteil 12c gemäß der 3c sind die Rillen 24 im Querschnitt rund ausgebildet, während bei der 3d bei dem ersten Bauteil 12d die Rillen 24 im Querschnitt rechteckförmig bzw. viereckig ausgebildet sind.
In den 4a bis 4d sind Querschnitte durch Hinterschnitte 22 aufweisende erste Bauteile 12e bis 12h dargestellt. Bei dem ersten Bauteil 12e sind die Hinterschnitte 22 im Querschnitt schwalbenschwanz- bzw. trapezförmig. Bei dem ersten Bauteil 12f sind die Hinterschnitte 22 im Querschnitt ebenfalls schwalbenschwanz- bzw. trapezförmig, jedoch mit spitzenförmigen Vertiefungen 28. Bei dem ersten Bauteil 12g gemäß der 4c sind die Hinterschnitte 22 im Querschnitt T-förmig invers ausgebildet, und bei dem ersten Bauteil 12h gemäß der 4d sind die Hinterschnitte 22 im Querschnitt mehreckförmig invers ausgebildet.
Durch die Ausbildung der Hinterschnitte 22 wird der Formschluss zwischen den ersten Bauteilen 12e bis 12h und dem in den Figuren nicht dargestellten zweiten Bauteil 14 verbessert.
Der soweit beschriebene Bauteileverbund 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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

EP 2307187 B1 [0002]
EP 3156164 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteileverbunds (100), der aus wenigstens zwei, zumindest mittelbar miteinander verbundenen Bauteilen (12; 12a bis 12h, 14) aus unterschiedlichen Materialien besteht, einem ersten Bauteil (12; 12a bis 12h), das an einer einem zweiten Bauteil (14) zugewandten Kontaktoberfläche (18) Strukturen (20) aufweist, wobei die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen (12; 12a bis 12h, 14) durch Ausfüllen der Strukturen (20) durch das Material des zweiten Bauteils (14) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (14) durch einen generativen Herstellungsprozess erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (14) durch ein pulver- oder strahlbasiertes Fertigungsverfahren, insbesondere durch selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen unter Verwendung von pulverförmigem Material, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bauteile (12; 12a bis 12h, 14) aus unterschiedlichen, artgleichen oder artungleichen Metallen bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Erzeugen des zweiten Bauteils (14) bei der Verwendung von artfremden Materialien auf der Kontaktoberfläche (18) eine Pufferschicht (26), vorzugsweise Metall enthaltend, aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (20) Rillen (24) aufweisen, die durch ein geometrisch bestimmtes Bearbeitungsverfahren, beispielsweise Drehen, Fräsen, Räumen, ein funkenerodierendes Verfahren, eine Laserstrahlbearbeitung oder durch ein umformendes Verfahren, erzeugt werden.
Bauteileverbund (100), hergestellt insbesondere nach einen Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bestehend aus einem ersten Bauteil (12; 12a bis 12h) und einem zweiten Bauteil (14), wobei das erste Bauteil (12; 12a bis 12h) auf einer dem zweiten Bauteil (14) zugewandten Seite (16) eine Strukturen (20) aufweisende Kontaktoberfläche (18) aufweist, und wobei in die Strukturen (20) Material des zweiten Bauteils (14) unter Ausbildung einer Formschlussverbindung zwischen den beiden Bauteilen (12; 12a bis 12h, 14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (14) als generativ hergestelltes Bauteil (14) ausgebildet ist.
Bauteileverbund nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (20) in Form von Rillen (24) ausgebildet sind.
Bauteileverbund nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (24) Hinterschnitte (22) aufweisen.
Bauteileverbund nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Bauteilen (12; 12a bis 12h, 14) im Bereich der Kontaktoberfläche (18) eine Pufferschicht (26) angeordnet ist.
Bauteileverbund nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (12; 12a bis 12h) aus Kupfer und das zweite Bauteil (14) aus Aluminium besteht, und dass der Bauteileverbund (100) als Kühlelement ausgebildet ist.