DE102021006069A1

DE102021006069A1 - Verfahren zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils durch ein additives Verfahren sowie Schmelzvorrichtung

Info

Publication number: DE102021006069A1
Application number: DE102021006069.5A
Authority: DE
Inventors: Arnd Bressel; Jens Hüger; Simon Raußmüller; Marcus Rieth; Bernd Schietinger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2022-01-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils (10) durch ein additives Verfahren mittels einer Schmelzvorrichtung (12), mit den Schritten:- Bereitstellen einer Grundplatte (14) des Hybrid-Bauteils (10) mit einem ersten Schmelzpunkt;- Erzeugen von zumindest einer Ausnehmung (16) auf der Grundplatte (14) mittels einer Lasereinrichtung (18) der Schmelzvorrichtung (10) mit einer ersten Energie (20);- Einbringen eines Fertigungsmaterials (22) des Hybrid-Bauteils (10) mit einem zum ersten Schmelzpunkt niedrigeren zweiten Schmelzpunkt in die zumindest eine Ausnehmung (16);- Aufschmelzen des Fertigungsmaterials (22) mit der gleichen Lasereinrichtung (18) und mit einer zur ersten Energie (20) anderen, insbesondere niedrigeren zweiten Energie (24); und- Erzeugen des Hybrid-Bauteils (10) mittels des additiven Verfahrens durch Aufbringen von weiterem Fertigungsmaterial (28) auf das aufgeschmolzene Fertigungsmaterial (22). Ferner betrifft die Erfindung eine Schmelzvorrichtung (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils durch ein additives Verfahren mittels einer Schmelzvorrichtung gemäß des geltenden Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Schmelzvorrichtung zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils.
Bei der Herstellung von Bauteilen durch additive Fertigung wird das zu fertigende Material örtlich beziehungsweise selektiv aufgeschmolzen, um die zu schaffende Bauteilstruktur herzustellen. Zur Darstellung besonderer Produkteigenschaften, insbesondere zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und zur Verringerung der Druckkosten, ist hierbei die Verwendung vorgefertigter Grundkörper aus dem Aufbauwerkstoff abweichenden Materialien bekannt, beispielsweise kann der Grundkörper aus Stahl ausgebildet sein und der Aufbau der Struktur aus einer Aluminiumlegierung. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein sogenanntes Hybrid-Bauteil, welches in Hybridbauweise hergestellt ist. Hierbei ist die Haftung des additiv gefertigten Volumens an der Grenzfläche durch den Werkstoffübergang ein kritischer Parameter.
Bisherige Varianten gemäß dem Stand der Technik zum Aufbringen polymerer Werkstoffe auf metallischen Grundstrukturen bedienen sich meist einer durch Aufbringen einer Beschichtung chemisch modifizierten Oberfläche, die in einem separaten Prozess aufgebracht werden muss. Hierbei sind zusätzliche Beschichtungsanlagen notwendig, zusätzlich wird eine Qualitätskontrolle der Beschichtung notwendig.
Die DE 10 2013 108 447 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines stabilen, haftvermittlerfreien Metall-Kunststoff-Verbundbauteils sowie ein Metall-Kunststoff-Verbundteil.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Schmelzvorrichtung zu schaffen, mittels welchen verbessert ein Hybrid-Bauteil hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch eine Schmelzvorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils durch ein additives Verfahren mittels einer Schmelzvorrichtung. Es wird eine Grundplatte des Hybrid-Bauteils mit einem ersten Schmelzpunkt bereitgestellt. Es erfolgt das Erzeugen von zumindest einer Ausnehmung auf der Grundplatte mittels einer Lasereinrichtung der Schmelzvorrichtung mit einer ersten Energie. Es wird ein Fertigungsmaterial des Hybrid-Bauteils mit einem zum ersten Schmelzpunkt niedrigeren zweiten Schmelzpunkt in die zumindest eine Ausnehmung eingebracht. Es erfolgt das Aufschmelzen des Fertigungsmaterials mit der gleichen Lasereinrichtung und mit einer zur ersten Energie anderen, insbesondere niedrigeren zweiten Energie. Das Hybrid-Bauteil wird mittels des additiven Verfahrens durch Aufbringen von weiterem Fertigungsmaterial auf das aufgeschmolzene Fertigungsmaterial erzeugt.
Insbesondere sind die aufgezählten Verfahrensschritte in der entsprechenden Reihenfolge durchzuführen.
Somit kann die Haftung von additiv gefertigten Strukturen aus Werkstoffen mit geringeren Schmelzpunkten im Vergleich zum höherschmelzenden Grundkörper durch Schaffen von Verklammerungsstrukturen mit deutlich über die übliche Beschichtungstiefe herausgehender Ausdehnung der komplexeren Strukturen erhöht werden. Ferner entfällt die Notwendigkeit bisher verwendeter Zwischenanlagen aus Beschichtung zur Erhöhung der Haftfestigkeit, wobei diese dennoch zusätzlich verwendet werden können. Ferner kann die Anwendbarkeit zur form- und/oder stoffschlüssigen Verbindung eines separat aufgebauten Polymerbauteils durch Anschmelzen an die im Grundkörper eingebrachten Stützkörper realisiert werden.
Insbesondere ist somit ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridverbunds zwischen einem hochschmelzenden Grundkörper und mindestens einem niedrigschmelzenden Volumenelement vorgeschlagen. Es erfolgt das Einbringen von Strukturen beziehungsweise von Vertiefungen in dem metallischen Grundkörper mittels eines Lasers durch lokales Aufschmelzen und/oder Verdampfen des Werkstoffs zur Erzeugung von Kavitäten im Grundkörper mit einer ersten Laserparametrierung. Bei diesem Laser kann es sich um insbesondere den später zur additiven Fertigung verwendeten Laser oder alternativ auch einen separat für diesen Zweck bereitgestellten Laser handeln. Vorteilhafterweise werden sämtliche Lasersysteme in einer Baukammer verwendet. Es werden diese Strukturen mit im Vergleich zum Grundkörper niedrigerschmelzendem Material befüllt, wobei die Differenz der Schmelzpunkte beispielsweise mindestens bei 150 Grad Celsius liegt, bevorzugt bei mindestens 250 Grad Celsius. Dies wird insbesondere für den additiven Fertigungsprozess als sogenanntes Fundament für die später auf der Oberfläche aufzubringenden 3D-Strukturen genutzt, wobei zusätzlich auch eine lokale oder ganzheitliche Erwärmung des Grundkörpers realisiert werden kann. Beispielsweise kann die Erwärmung durch den Laser und/oder eine Grundplattenheizung realisiert werden. Das Fertigungsmaterial für den additiven Fertigungsprozess schmilzt hierbei lokal auf und verzahnt sich mit den Strukturen des Grundkörpers bevorzugt formschlüssig und/oder stoffschlüssig. Beim weiteren Druckprozess wird das Druckbett klassisch vorbereitet und auf der Oberfläche der Grundplatte entstehende Strukturen im Bauprozess durch Aufschmelzen mit einer auf den Druckwerkstoff angepassten weiteren Laserparametrierung mit dem Fundament verbunden. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können diese Fundamentstrukturen deutlich tiefer als der typische Aufschmelzbereich des Lasers einer Baulage ausgeführt werden und damit eine verstärkte Haftung/Verklammerung erreichen. Zusätzlich können beispielsweise auch Hinterschnitte mit besonders hoher Verklammerungswirkung genutzt werden, die einer direkten Laserumschmelzung im Zuge der additiven Fertigung nicht zugänglich sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der zweite Schmelzpunkt mindestens 150 Grad Celsius, bevorzugt mindestens 250 Grad Celsius, niedriger als der erste Schmelzpunkt.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Ausnehmung mit einer Tiefe von bis zu 10 Millimetern, bevorzugt 5 Millimetern, erzeugt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird die Ausnehmung mit zumindest einem Hinterschnitt erzeugt.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Lasereinrichtung als Ultrakurzpulslasereinrichtung bereitgestellt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Schmelzvorrichtung zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils durch ein additives Verfahren, mit zumindest einer Lasereinrichtung, wobei die Schmelzvorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels der Schmelzvorrichtung durchgeführt.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Schmelzvorrichtung anzusehen. Die Schmelzvorrichtung weist dazu gegenständliche Merkmale auf, um ein entsprechendes Verfahren durchführen zu können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. 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.
Dabei zeigen:

1 einen schematischen Ablauf gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens; und
2 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Grundkörpers.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform eines Verfahrens. Insbesondere wird ein Verfahren zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils 10 vorgestellt. Das Verfahren zum Herstellen des Hybrid-Bauteils 10 erfolgt in einem additiven Verfahren mittels einer rein schematisch dargestellten Schmelzvorrichtung 12. In einem ersten Schritt S1 wird eine Grundplatte 14 des Hybrid-Bauteils 10 mit einem ersten Schmelzpunkt bereitgestellt. Es erfolgt das Erzeugen von zumindest einer Ausnehmung 16 auf der Grundplatte 14 mittels einer Lasereinrichtung 18 der Schmelzvorrichtung 12 mit einer ersten Energie 20. In einem zweiten Schritt S2 erfolgt das Einbringen eines Fertigungsmaterials 22 des Hybrid-Bauteils 10 mit einem zum ersten Schmelzpunkt niedrigeren zweiten Schmelzpunkt in die zumindest eine Ausnehmung 16. In einem dritten Schritt S3 erfolgt das Aufschmelzen des Fertigungsmaterials 22 mit der gleichen Lasereinrichtung 18 und mit einer zur ersten Energie 20 anderen, insbesondere niedrigeren zweiten Energie 24. Hierbei kann optional eine Wärmebehandlung 26 durchgeführt werden, wobei diese lokal ausgebildet sein kann oder als Bauraumheizung ausgebildet sein kann.
Im vierten Schritt S4 ist insbesondere gezeigt, wie das Fertigungsmaterial 22 aufgeschmolzen ist. Hierbei kann insbesondere in dem optionalen Schritt vorgesehen sein, dass gegebenenfalls einfallende Strukturen durch einen weiteren Schmelzvorgang durch weiteren Materialauftrag und durch die Wiederholung von den Schritten S2 und S3 ausgeglichen werden.
In einem ersten fünften Schritt S5a kann dann der Aufbau von additiven Strukturen auf dem Grundkörper 14 und insbesondere auf dem Fertigungsmaterial 22 realisiert werden, wobei hierzu insbesondere weiteres Fertigungsmaterial 28 aufgebracht wird. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das additive Verfahren ebenfalls mittels einer Laserbehandlung durchgeführt wird, wobei hier mit einer dritten Energie 30 das Schmelzverfahren durchgeführt wird. In dem alternativen zweiten fünften Schritt S5b kann wiederum eine lokale Wärmebehandlung 26 und/oder eine Bauraumheizung zur Fixierung eines separat gefertigten Polymerbauteils auf dem Grundkörper 14 erzeugt werden. In einem alternativen zweiten fünften Schritt S5b kann wiederum die lokale Wärmebehandlung 26 und/oder Bauraumheizung zur Fixierung eines separat gefertigten Polymermaterials 32 auf die im Grundkörper 14 platzierten Stützkörper realisiert werden.
Insbesondere zeigt somit die 1, dass das Hybrid-Bauteil 10 aus beispielsweise dem einen niedrigschmelzenden Volumenelement sowie einem hochschmelzenden Grundkörper 14 ausgebildet sein kann. Das Volumenelement kann beispielsweise aus Polymer, einer Polymermischung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet sein und dem weiteren Fertigungsmaterial 28 entsprechen. Der hochschmelzende Grundkörper 14 kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl ausgebildet sein. Die Temperaturdifferenz der Schmelzpunkte beziehungsweise der Schmelzintervalle zwischen dem Volumenelement und dem Grundkörper 14 beträgt dabei mindestens 150 Grad Celsius, insbesondere mindestens 250 Grad Celsius. Beispielsweise kann die Aluminium-Legierung auf den Stahl-Grundkörper 14 gefertigt werden, oder ein Chrom-Nickel-Stahl auf einem Titan-Grundkörper 14 ausgebildet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere das Volumenelement als das Fertigungsmaterial 22 beziehungsweise das weitere Fertigungsmaterial 28 anzusehen.
Vor der eigentlichen additiven Fertigung liegt der Grundkörper 14 vor, der an der Oberfläche mechanisch vorbearbeitet sein kann. Vor der additiven Fertigung werden die Oberflächenbereiche mithilfe einer Laserbehandlung mit einer angepassten Laserparametrierung, insbesondere mit der ersten Energie 20, konditioniert, zum Beispiel an der Oberfläche die entsprechende mindestens eine Ausnehmung 16 eingebracht, welche auch als Laserstruktur beziehungsweise Laserstrukturierungen bezeichnet werden können. Es können auch tiefere Ausnehmungen, beispielsweise bis zu 10 Millimeter, bevorzugt jedoch bis 5 Millimeter, erzeugt werden und/oder bereits bestehende Vertiefungen werden mithilfe der Lasermaterialbearbeitung hinsichtlich ihrer Form modifiziert. Bei der Laserbearbeitung kann ein Ultrakurzpulslaser, zum Beispiel ein Piko-Sekunden-Laser oder ein Femto-Sekunden-Laser verwendet werden. Der Materialabtrag erfolgt hierbei durch Verdampfen und nicht durch Aufschmelzen des Grundkörpers 14, wobei dadurch keine Verunreinigung des Bauraums durch Schweißspritzer realisiert werden kann. Es erfolgt dann das Einbringen des niedrigschmelzenden Fertigungsmaterials 22 in die Ausnehmung 16. Es kann dann ein lokales oder ein vollständiges Erwärmen des Grundkörpers 14 mittels zum Beispiel der zweiten Energie 24 durchgeführt werden, wobei dies beispielsweise durch einen Elektronenstrahl, eine Laserstrahlquelle, eine Induktion, oder zum Beispiel durch eine Heizplatte der Schmelzvorrichtung 12 zum Aufschmelzen des mindestens einen niedrigschmelzenden Fertigungsmaterials 22 durchgeführt werden kann. Es kann dann eine optionale Wiederholung der Schritte S2 und S3 durchgeführt werden, falls zum Beispiel ein Schrumpfen des niedrigschmelzenden Fertigungsmaterials 22 aufzufinden ist. Es wird dann das Volumenelement mit dem niedrigschmelzenden Fertigungsmaterial 22 beziehungsweise dem weiteren Fertigungsmaterial 28 durch die additive Fertigung erzeugt oder alternativ kann ein Aufbringen des vorgefertigten Bauteils und ein weiteres Erwärmen des Grundkörpers 14 zum Anschmelzen des vorgefertigten Bauteils auf die bereits verankerte Zapfenstruktur durchgeführt werden.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Grundbauteils 14. Vorliegend sind insbesondere zwei unterschiedliche Ausnehmungen 16 gezeigt, wobei die linke Ausnehmung 16 im Wesentlichen in der Seitenansicht rechteckförmig ausgebildet ist und die rechte Ausnehmung 16 im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist, insbesondere sogenannte Hinterschnitte 34 aufweisen kann.
Bezugszeichenliste

10: Hybrid-Bauteil
12: Schmelzvorrichtung
14: Grundkörper
16: Ausnehmung
18: Lasereinrichtung
20: erste Energie
22: Fertigungsmaterial
24: zweite Energie
26: Wärmebehandlung
28: weiteres Fertigungsmaterial
30: dritte Energie
32: Polymerbauteil
34: Hinterschneidung
S1 bis S5: Schritte des Verfahrens

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 102013108447 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils (10) durch ein additives Verfahren mittels einer Schmelzvorrichtung (12), mit den Schritten: - Bereitstellen einer Grundplatte (14) des Hybrid-Bauteils (10) mit einem ersten Schmelzpunkt; - Erzeugen von zumindest einer Ausnehmung (16) auf der Grundplatte (14) mittels einer Lasereinrichtung (18) der Schmelzvorrichtung (12) mit einer ersten Energie (20); - Einbringen eines Fertigungsmaterials (22) des Hybrid-Bauteils (10) mit einem zum ersten Schmelzpunkt niedrigeren zweiten Schmelzpunkt in die zumindest eine Ausnehmung (16); - Aufschmelzen des Fertigungsmaterials (22) mit der gleichen Lasereinrichtung (18) und mit einer zur ersten Energie (20) anderen, insbesondere niedrigeren zweiten Energie (24); und - Erzeugen des Hybrid-Bauteils (10) mittels des additiven Verfahrens durch Aufbringen von weiterem Fertigungsmaterial (28) auf das aufgeschmolzene Fertigungsmaterial (22).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schmelzpunkt mindestens 150°C, bevorzugt mindestens 250°C, niedriger ist, als der erste Schmelzpunkt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (16) mit einer Tiefe von bis zu 10mm, bevorzugt 5mm, erzeugt wird
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (16) mit zumindest einem Hinterschnitt (34) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (18) als Ultrakurzpulslasereinrichtung bereitgestellt wird.
Schmelzvorrichtung (12) zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils (10) durch ein additives Verfahren, mit zumindest einer Lasereinrichtung (18), wobei die Schmelzvorrichtung (12) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.