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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles mit einem ausscheidungshärtbaren Grundkörper, auf welchen zumindest ein Volumenelement durch einen additiven Fertigungsprozess aufgebracht wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein mittels des Verfahrens hergestelltes Hybridbauteil.
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Aus der
DE 11 2018 001 690 T5 ist ein Wärmebehandlungsverfahren für ein additiv gefertigtes Objekt, welches aus einer als Laminat geformten Ni-basierten Legierung ausgebildet ist, bekannt. Das Wärmebehandlungsverfahren umfasst einen Wärmebehandlungsschritt zur Optimierung der Carbidabscheidung in Form des Erwärmens des additiv gefertigten Objektes für 1 Stunde oder mehr und 100 Stunden oder weniger bei einer Temperatur, welche gleich oder höher ist als eine mittels einer Formel auf Grundlage des Gehaltes der Bestandselemente bestimmte Temperatur und gleich oder niedriger ist als 1350°C. Weiterhin umfasst das Wärmebehandlungsverfahren einen Alterungswärmebehandlungsschritt in Form des Erwärmens des additiv gefertigten Objektes für 1 bis 30 Stunden bei einer Temperatur von 800°C bis 950°C nach dem Wärmebehandlungsschritt zur Optimierung der Carbidabscheidung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles sowie ein solches Hybridbauteil anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Hybridbauteil, welches die in Anspruch 3 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles mit einem ausscheidungshärtbaren Grundkörper, auf welchen zumindest ein Volumenelement durch einen additiven Fertigungsprozess aufgebracht wird, sieht erfindungsgemäß vor, dass der Grundkörper mit einer Ausgangshärte vor und/oder während des additiven Fertigungsprozesses auf eine vorgegebene Prozesstemperatur erwärmt wird. Der Grundkörper wird zudem vor, während und/oder nach dem additiven Fertigungsprozess zum Aufbringen des zumindest einen Volumenelementes auf den Grundkörper und zur Warmauslagerung des Grundkörpers zumindest zeitweise in Bezug auf die Prozesstemperatur mittels zumindest einer Temperiereinheit temperiert und das Hybridbauteil wird anschließend abgekühlt. Dabei wird die Prozesstemperatur für den additiven Fertigungsprozess derart gewählt, dass eine Prozesswärme des additiven Fertigungsprozesses gleichzeitig als zielgerichtete Wärmebehandlung zur Einstellung einer vorgegebenen Härte des Grundkörpers genutzt wird.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein mittels eines solchen Verfahrens hergestelltes Hybridbauteil.
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Ein Hybridbauteil, also ein Bauteil, welches aus einem vergleichsweise kostengünstig herzustellenden Grundkörper und einem lokal additiv aufgebrachten Volumenelement als Struktur besteht, ist wirtschaftlicher, insbesondere kostengünstiger als ein vollständig additiv hergestelltes Bauteil.
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Mittels des Verfahrens wird ein Hybridbauteil bereitgestellt, welches additiv gefertigte Strukturen, also Volumenelemente umfasst, wobei der Grundkörper eine vorgegebene, insbesondere vergleichsweise hohe, Härte aufweist.
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Die in dem Verfahren vorgesehene Wärmebehandlung, die zur Ausbildung der vorgegebenen Härte des Grundkörpers führt, ist Bestandteil des Verfahrens zur Herstellung, insbesondere einer Herstellprozesskette. Eine dem Herstellverfahren nachgeschaltete Wärmebehandlung zur Ausscheidungshärtung des Grundkörpers ist somit nicht erforderlich, wodurch eine Kosten-, Zeit- und Energieersparnis erzielt werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine Ansicht eines Hybridbauteiles mit einem Grundkörper und einem Volumenelement,
- 2 schematisch ein Aushärtediagramm,
- 3 schematisch einen Ablauf zur Herstellung des Hybridbauteiles und
- 4 schematisch eine Ermittlung einer Prozesstemperatur eines additiven Fertigungsprozesses.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt beispielhaft und stark vereinfacht ein Hybridbauteil 1, welches einen Grundkörper 2 und ein Volumenelement 3 aufweist.
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In 2 ist ein exemplarisches Aushärtediagramm A eines ausscheidungshärtbaren Werkstoffes, aus welchem der Grundkörper 2 gebildet ist, dargestellt, wohingegen in 3 ein Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines Hybridbauteiles 1 gezeigt ist und eine Ermittlung einer optimalen Prozesstemperatur P eines additiven Fertigungsprozesses zeigt 4.
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Der Grundkörper 2 des Hybridbauteiles 1 ist ein Gussteil, ein Schmiedeteil, ein Strangpressteil, ein Flachzeug, ein Halbzeug und/oder ein bearbeitetes Halbzeug und vergleichsweise kostengünstig herstellbar. Insbesondere handelt es sich bei dem Grundkörper 2 um ein Druckgussbauteil, welches beispielsweise überwiegend durch einen laminaren Druckguss hergestellt wurde. Beispielsweise ist der Grundkörper 2 aus einem Aluminiumbasiswerkstoff, einem Magnesiumbasiswerkstoff, einem Titanbasiswerkstoff, einem Kupferbasiswerkstoff, einem Nickelbasiswerkstoff und/oder einem Eisenbasiswerkstoff gebildet. Auf den Grundkörper 2 wird das Volumenelement 3 als Strukturelement in einem additiven Fertigungsprozess lokal aufgebracht.
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Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles 1 beschrieben, bei welchem zumindest ein Volumenelement 3 auf einen Grundkörper 2 additiv gefügt ist.
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Unter einem additiven Fertigungsprozess ist beispielsweise ein 3D-Druckverfahren, ein selektives Laserschmelzen, ein selektives Elektronenstrahlschmelzen, ein selektives Lasersintern, ein selektives Elektronenstrahlsintern, ein Drahtauftragsschweißen oder ein Pulverauftragsschweißen zu verstehen, wobei ein Fokus des Verfahrens zur Herstellung des Hybridbauteiles 1 auf dem 3D-Druckverfahren liegt.
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Insbesondere sieht das Verfahren zur Herstellung des Hybridbauteiles 1 vor, dass während des additiven Fertigungsprozesses des Volumenelementes 3 die Prozesstemperatur P der additiven Fertigung derart gewählt wird, dass durch eine Prozesswärme gleichzeitig eine gezielte Wärmebehandlung, insbesondere eine sogenannte Wärmeauslagerung des Grundkörpers 2 erfolgt, so dass dieser eine vorgegebene, insbesondere eine hohe Härte H, aufweist. Dabei ist unter Härte H eines Materials des Grundkörpers 2 z. B. eine Brinellhärte bei Raumtemperatur oder 0,2 %-Dehngrenze ermittelt im Zugversuch bei Raumtemperatur zu verstehen.
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Mit dem Begriff Prozesstemperatur P wird eine am Grundkörper 2 auftretende Temperatur bezeichnet, die sich aus verschiedenen Temperaturbeiträgen zusammensetzt. Insbesondere setzt sich die Prozesstemperatur P aus einem etwaigen Temperaturbeitrag durch eine Heizung über eine in 3 gezeigte Grundplatte 4, einem Temperaturbeitrag durch den additiven Fertigungsprozess, insbesondere einen Energieeintrag durch eine Vielzahl an örtlichen Aufschmelzprozessen eines Pulvers für den 3D-Druck, einem etwaigen Temperaturbeitrag über eine optimierte Bauraumheizung sowie Temperaturbeiträge durch sonstige etwaige Temperaturquellen zusammen. Eine Temperaturregelung der Grundplatte 4 und/oder der Bauraumheizung erfolgt insbesondere, um die Prozesstemperatur P im Grundkörper 2 auf einer angestrebten Zieltemperatur zu halten.
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Eine Sicherstellung einer zumindest weitgehend stabilen Prozesstemperatur P im Grundkörper 2 kann beispielsweise durch im Folgenden genannte Maßnahmen oder einer Kombination von Maßnahmen erzielt werden.
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Eine Maßnahme ist, dass bei ersten Drucklosen am und/oder im Grundkörper 2 ein Thermoelement angeordnet wird, um für nachfolgende Druckprozesse festzulegen, welche konstante Prozesstemperatur P an der beheizbaren Grundplatte 4 einzustellen ist. Dadurch kann auch während des Druckprozesses als additiver Fertigungsprozess, welcher eine Vielzahl von lokalen Energieeinträgen, d. h. Temperatureinträgen durch die örtlichen Aufschmelzprozesse, mit sich bringt, eine Einhaltung einer gewünschten Grundkörpertemperatur sichergestellt werden.
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Eine alternative Maßnahme dazu sieht vor, dass bei ersten Drucklosen am und/oder im Grundkörper 2 ein Thermoelement angeordnet wird, um für die nachfolgenden Druckprozesse festzulegen, mit welchem Temperatur-Zeit-Profil die beheizbare Grundplatte 4 zu betreiben ist, um auch während des Druckprozesses, der eine Vielzahl lokaler Energieeinträge durch die örtlichen Aufschmelzprozesse mit sich bringt, die Einhaltung der gewünschten Grundkörpertemperatur sicherzustellen.
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Alternativ oder zusätzlich wird bei jedem Druckprozess im und/oder am Grundkörper 2 zumindest ein Thermoelement angebracht. Anhand erfasster Signale dieses zumindest einen Thermoelementes erfolgt dann die Temperaturregelung oder -steuerung der beheizbaren Grundplatte 4.
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Eine weitere alternative oder zusätzliche Maßnahme sieht vor, dass bei jedem Druckprozess mindestens ein Pyrometer auf den Grundkörper 2 gerichtet wird. Die Temperaturregelung oder -steuerung der beheizbaren Grundplatte 4 wird dann basierend auf erfassten Signalen des zumindest einen Pyrometers durchgeführt.
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Zur Herstellung des Hybridbauteiles 1 wird zunächst der Grundkörper 2, welcher eine Ausgangshärte aufweist, bereitgestellt. Anschließend wird der Grundkörper 2, beispielsweise mittels der Grundplatte 4, vor und/oder während des additiven Fertigungsprozesses des Volumenelementes 3 auf die Prozesstemperatur P erwärmt.
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Vor, während und/oder nach dem additiven Fertigungsprozess wird der Grundkörper 2 zumindest zeitweise in Bezug auf die Prozesstemperatur P warmgehalten. Dadurch erfolgt eine Warmauslagerung des Grundkörpers 2, welche zu einer sogenannten Aufhärtung im Vergleich zu einer Ausgangshärte im Bereitstellungszustand des Grundkörpers 2 führt. Durch die Warmauslagerung erfährt der Grundkörper 2 also eine Härteänderung, insbesondere eine Härtesteigerung.
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Abschließend wird das hergestellte Hybridbauteil 1 abgekühlt.
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In einer möglichen Ausführung des Verfahrens wird eine praktisch konstante Prozesstemperatur P gewählt, also eingestellt, d. h. angefahren, und auch gehalten.
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Denkbar ist aber auch, die Prozesstemperatur P zu modulieren, wodurch die Prozesstemperatur P erst während des additiven Fertigungsprozesses eingestellt wird. Dadurch ist es auch möglich, bereits während des additiven Fertigungsprozesses eine aktive Beheizung der Grundplatte 4 und/oder der Bauraumheizung abzustellen bzw. zu verringern, um die Prozesstemperatur P zu verringern.
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Zudem kann durch die Modellierung der Prozesstemperatur P vor, während und/oder nach dem additiven Fertigungsprozess die tatsächliche Prozesstemperatur um bis zu +/- 20°C temporär von der angestrebten Prozesstemperatur P abweichen.
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Die Prozesstemperatur P kann also derart verändert werden, dass zu Beginn des additiven Fertigungsprozesses mit vergleichsweise hoher Temperatur gearbeitet wird, welche erst im Verlauf der Zeit auf die angestrebte Prozesstemperatur P verringert wird.
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Für den additiven Fertigungsprozess wird die Prozesstemperatur P, wie in 4 gezeigt ist, folgendermaßen ermittelt:
- - Ermittlung einer geplanten Fertigungsprozessdauer tx, innerhalb welcher der Grundkörper 2 die Prozesstemperatur P aufweist;
- - Betrachtung eines für einen Werkstoff des Grundkörpers 2 spezifischen Aushärtediagramms A, durch welches ersichtlich ist, welche Härtewerte am Grundkörper 2 in Abhängigkeit einer Kombination von Warmauslagerungsdauer t und Warmauslagerungstemperatur erreichbar sind; und
- - Ermittlung derjenigen optimalen Warmauslagerungstemperatur, durch welche ein angestrebter Härtezustand des Grundkörpers 2 unter Betrachtung des Aushärtediagramms A und der geplanten Fertigungsprozessdauer tx, welche mit der Warmauslagerungsdauer t gleichgesetzt wird, erreicht wird.
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Gemäß 4 wird beispielhaft ermittelt, welche Temperatur zu wählen ist, so dass bei einer zuvor ermittelten Fertigungsprozessdauer tx eine möglichst hohe Härte H im Grundkörper 2 erzielt wird. In Bezug auf das Ausführungsbeispiel in 4 wird als Prozesstemperatur P 170°C gewählt.
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Insbesondere unterscheidet sich die Härte H des Grundkörpers 2 am fertigen Hybridbauteil 1 um mindestens 10 %, insbesondere um mindestens 20 %, von der Ausgangshärte des Grundkörpers 2 in dessen Bereitstellungszustand.
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Zusätzlich oder alternativ unterscheidet sich die im Raumtemperaturzugversuch ermittelte 0,2%-Dehngrenze des Grundkörpers 2 am fertigen Hybridbauteil 1 um mindestens 10 %, insbesondere um mindestens 20 %, von der Ausgangs-0,2%-Dehngrenze des Grundkörpers 2 in dessen Bereitstellungszustand. Insbesondere liegt die 0,2%-Dehngrenze des Grundkörpers 2 am fertigen Hybridbauteil 1 höher als die Ausgangs-0,2%-Dehngrenze des Grundkörpers 2 in dessen Bereitstellungszustand.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Prozesstemperatur P über die Hälfte der additiven Fertigungsprozessdauer tx zum Aufbringen des Volumenelementes 3 auf den Grundkörper 2 aufrechterhalten wird.
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In einer Ausführungsform liegt der Grundkörper 2 in einem lösungsgeglühten und optional direkt anschließend vergleichsweise schnell abgekühlten, d. h. abgeschreckten, Zustand vor.
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In 2 ist ein beispielhaftes Aushärtediagramm A eines ausscheidungshärtbaren Werkstoffes dargestellt, wobei auf der Abszisse die Warmauslagerungsdauer t und auf der Ordinate die Härte H abgetragen ist.
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Ein Punkt B stellt die Ausgangshärte des Grundkörpers 2 vor Durchführung der Warmauslagerung dar. Die maximal erreichbare Härte H steigt mit abnehmender Warmauslagerungstemperatur und ein lokales Maximum wird bei steigender Warmauslagerungstemperatur früher erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hybridbauteil
- 2
- Grundkörper
- 3
- Volumenelement
- 4
- Grundplatte
- A
- Aushärtediagramm
- B
- Punkt
- H
- Härte
- P
- Prozesstemperatur
- t
- Warmauslagerungsdauer
- tx
- Fertigungsprozessdauer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112018001690 T5 [0002]
