DE102022001034A1

DE102022001034A1 - Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles

Info

Publication number: DE102022001034A1
Application number: DE102022001034.8A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schietinger; Arnd Bressel; Simon Raußmüller
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-03-25
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2022-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles, bei welchem ein Grundkörper (3) additiv gefertigt wird, indem einzelne aus einem Pulvermaterial bestehende Schichten (9) aufeinander aufgetragen und miteinander verschmolzen werden. Bei einem Verfahren, bei welchem eine Vielzahl von Materialkombinationen miteinander druckbar bzw. herstellbar sind, wird auf mindestens einen Abschnitt des Grundkörpers (3) mindestens ein Bauteil (7) aufgelegt bzw. aufgebracht, welches aus einem anderen Werkstoff besteht als der mindestens eine Abschnitt des Grundkörpers (3) und mindestens eine weitere aus dem Pulvermaterial bestehende Schicht (9) neben und/oder über dem mindestens einem Bauteil (7) und dem mindestens einen Abschnitt des Grundkörpers Grundkörper (3) aufgebracht und zumindest partiell angeschmolzen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles, bei welchem ein Grundkörper additiv gefertigt wird, indem einzelne aus einem Pulvermaterial bestehende Schichten aufeinander aufgetragen und miteinander verschmolzen werden.
Aus der EP 3 390 058 B1 ist eine Druckvorrichtung zum Drucken eines dreidimensionalen Objektes bekannt, welche auf einer Wirkfläche mehrere Schichten aus Pulver absetzt, die durch einen von einer Energiequelle ausgesendeten Energiestrahl miteinander verschmolzen werden.
Die EP 3 615 247 B1 offenbart eine Vorrichtung zum Bilden eines dreidimensionalen Werkstücks durch aufeinanderfolgendes Auftragen von einzelnen Schichten aus einem Pulvermaterial, die miteinander verschmolzen werden. Das Verschmelzen erfolgt dabei mit einem Elektronenstrahl.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles anzugeben, bei welchem eine Vielzahl von Materialkombinationen miteinander druckbar bzw. herstellbar sind.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei dem Eingangs erläuterten Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles, bei welchem ein Grundkörper additiv gefertigt wird, indem einzelne aus einem Pulvermaterial bestehende Schichten aufeinander aufgetragen und miteinander verschmolzen werden, wird auf mindestens einen Abschnitt des Grundkörpers mindestens ein Bauteil aufgelegt bzw. aufgebracht, welches aus einem anderen Werkstoff besteht als der mindestens eine Abschnitt des Grundkörpers und mindestens eine weitere aus dem Pulvermaterial bestehende Schicht neben und/oder über dem mindestens einem Bauteil und dem mindestens einen Abschnitt des Grundkörpers aufgebracht und zumindest partiell angeschmolzen wird. Dadurch erfolgt ein Weiterbau des additiv gefertigten Grundkörpers bzw. dessen Abschnittes unter Ein- oder Anbindung des Bauteils durch partielles Um- und/oder Überdrucken des Bauteils. Dies hat den Vorteil, dass durch das Bauteil das Gebrauchsverhalten des Grundkörpers und somit des gesamten Hybridbauteils verbessert wird. So kann der Grundkörper beispielsweise porös und/oder uneben und/oder korrosionsempfindlich sein und das Bauteil trägt zur lokalen Erhöhung des Verschleißwiderstandes bei.
Vorteilhafterweise wird das mindestens eine Bauteil örtlich angeschmolzen. Durch diesen Stoffschluss wird die mechanische und/oder elektrische Anbindung von Bauteil und Grundkörper sichergestellt. Gleichzeitig sind das Bauteil und/oder der Grundkörper vor eine Unterwanderung durch Medien geschützt.
In einer Ausgestaltung werden mindestens die Kanten des mindestens einen Bauteils von der mindestens einen weiteren aus Pulvermaterial bestehenden Schicht bedeckt und angeschmolzen. Dies führt zu einer zuverlässig festen mechanischen Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem Bauteil, welche auch unter Einwirkung äußerer Kräfte standhält.
In einer Variante weist das mindestens eine Bauteil Aussparungen auf, in welche die aus Pulvermaterial bestehende mindestens eine weitere Schicht eingebracht und aufgeschmolzen wird. Dadurch erfährt das Bauteil eine form- und/oder stoffschlüssige Anbindung an den Grundkörper.
In einer Ausführungsform besteht das mindestens eine Bauteil aus einem chemisch und/oder mechanisch und/oder tribologisch beständigerem Werkstoff als der mindestens eine Abschnitt des Grundkörpers. Auch wenn der Grundkörper eine hohe Oberflächenrauhigkeit bzw. eine durch Poren nicht vollständig ebene oder dichte Oberflächenstruktur aufweist, wird durch das Bauteil die örtliche Verschleißfestigkeit erhöht. Ein Eindringen von aggressive Medien wird zuverlässig verhindert.
Es ist von Vorteil, wenn das mindestens eine Bauteil gegenüber dem mindestens einen Abschnitt des Grundkörpers veränderte physikalische Eigenschaften aufweist. Dies ist insbesondere beim Aufbau von Isolationsstrukturen von Bedeutung. Auf Grund einer abweichenden thermischen Leitfähigkeit von Grundkörper und Bauteil, kann das Bauteil zur thermischen Isolation des Grundkörpers genutzt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird ein weiteres Bauteil mittels eines klassischen Fügeverfahrens auf dem mindestens einen, an dem mindestens einen Abschnitt des Grundkörpers angeschmolzenen Bauteil aufgebracht. Da das mit dem Grundkörper verbundene Bauteil andere Eigenschaften als der Grundkörper besitzt, können auf dieses weitere Bauteile durch klassische Fügeverfahren, wie Schweißen, Kleben u.ä. befestigt werden, die bei einer solchen direkten Befestigung auf dem Grundkörper zu einem Verzug führen würden.
In einer weiteren Variante wird das weitere durch das klassische Fügeverfahren auf dem mindestens einem, an den Grundkörper angeschmolzenen Bauteil aufgebrachte Bauteil zur lokalen Abschirmung von aggressiven Medien verwendet. Durch das klassische Fügeverfahren wird eine hohe Dichtheit gegen chemische Medien erzielt.
In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Bauteil hoch korrosionsbeständig und wird an dem weniger korrosionsbeständigen mindestens einen Abschnitt des Grundkörpers angebracht. Dadurch wird eine mechanisch stabile und/oder elektrisch leitfähige Kontaktierung zwischen Bauteil und Grundkörper erzielt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird auf das mindestens eine hoch korrosionsbeständige Bauteil ein Identifizierungselement aufgebracht und/oder in dieses eingebracht. Das Identifizierungselement erlaubt eine dauerhafte Kennzeichnung des Hybridbauteils durch Beschriftung und/oder Gravur und/oder einen QR-Code.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 Ausführungsbeispiele zur Gestaltung des Bauteils und dessen Anbindung an den Grundkörper.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Hybridbauteils dargestellt. Das Hybridbauteil 1 besteht aus einem Grundkörper 3 bzw. einem additiv gefertigten Grundkörperabschnitt, welcher im Schritt a in einem additiven Verfahren gefertigt wird. Dabei wird der Grundkörper 3 gebildet, indem mehrere Schichten, die aus einem Pulvermaterial, beispielsweise einem Metall oder einer Metalllegierung wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, bestehen, übereinander aufgebracht und mittels eines Energiestrahls miteinander verschmolzen werden. Auf die Oberfläche 5 des so gefertigten Grundkörpers 3 bzw. des Grundkörperabschnitts wird ein Bauteil 7 aufgelegt bzw. aufgebracht, welches aus einem chemisch und/oder mechanisch und/oder tribologisch beständigeren Werkstoff besteht als der Grundkörper 3 bzw. der Grundkörperabschnitt, (Schritt b). Anschließend wird im Schritt c auf das Bauteil 7 mindestens eine weitere Schicht 9 des Pulvermaterials aufgebracht, welche das Bauteil 7 vollständig umhüllt und gegebenenfalls zumindest abschnittweise bedeckt. Im sich anschließenden Schritt d erfolgt ein mindestens partielles Aufschmelzen der mindestens einen aus dem Pulvermaterial bestehenden Schicht 9 an dem Bauteilkanten 11, 13. Dadurch erfolgt ein Weiterbau des additiv gefertigten Grundkörpers 3 bzw. des Grundkörperabschnittes unter Ein- oder Anbindung des Bauteils 7 durch partielles Um- und/oder Überdrucken des Bauteils 7, insbesondere der Bauteilkanten. Im Schritt e wird optional auf das an dem Grundkörper 3 bzw. dem Grundkörperabschnitt befestigte Bauteil 7 ein weiteres Bauteil 15 aufgesetzt. Dieses wird an dem Bauteil 7 mittels klassischer Fügeverfahren, wie Schweißen, Kleben u.ä. befestigt. Eine Alternative dazu ist im Schritt f gezeigt, wo optional als weiteres Bauteil ein Abschirmbauteil 17 gegen aggressive Medien auf das an dem Grundkörper 3 bzw. den Grundkörperabschnitt angebundene Bauteil 7 ebenfalls mit einem klassischen Fügeverfahren befestigt wird. Dieses kann als eine Kanalstruktur mit einer Dichtung 19 ausgebildet sein. Zu diesem Zweck besteht das Abschirmbauteil 17 vorzugsweise aus einer CrNi-Stahl-Folie mit einer gefügten, insbesondere aufgeklebten Kanalstruktur, wie es beispielsweise in Bauteilen für ein mit einer Hochvoltbatterie angetriebenen elektrischen Fahrzeug verwendet wird.
2 zeigt Ausführungsbeispiele zur Gestaltung des Bauteils 7 und dessen Anbindung an den Grundkörper 3 bzw. den Grundkörperabschnitt. In der Zeile A ist das zur einfacheren Verdeutlichung als Platte dargestellte Bauteil 7 vor dem Aufbringen auf den Grundkörper 3 bzw. des Grundkörperabschnitts dargestellt. Das Bauteil 71 weist dabei eine geschlossene Oberfläche auf, während in den Bauteilen 72 und 73 Aussparungen in Form von Durchgangsbohrungen 21 bzw. Langlöchern 23 ausgebildet sind.
Der Verbund der jeweiligen Bauteile 71, 72, 73 mit dem Grundkörper 3 bzw. dem Grundkörperabschnitt nach abgeschlossenen Fertigungsprozess ist in Zeile B dargestellt, wobei die nach dem örtlichen Aufschmelzen erstarrte Schicht 9 gezeigt ist. Die Schicht 91 deckt die Kanten des Bauteils 71 ab und verbindet somit das Bauteil 71 mit dem Grundkörper 3 bzw. dem Grundkörperabschnitt. Bei dem Bauteil 72 ist die Schicht 92 nicht nur an dessen Kanten aufgeschmolzen, sondern zusätzlich auch in den Durchgangsbohrungen 21, wodurch die Verbindung zwischen dem Grundkörper 3 bzw. dem Grundkörperabschnitt stabilisiert wird. Eine besonders feste Anbindung erfährt das Bauteil 73, wenn die Schicht 93 neben den Kanten und den Durchgangsbohrungen 21 auch in die Langlöcher 23 eingedrungen und dort verschmolzen ist. Der Schnitt A-A der gefertigten Hybridbauteile 1 ist in Zeile C gezeigt, aus welchen hervorgeht, dass die jeweilige Schicht 91, 92, 93 immer über die Kanten 11, 13 der Bauteile 71, 72, 73 hinausreichen und diese somit fest an dem Grundkörper 3 bzw. dem Grundkörperabschnitt fixieren.
Das Bauteil 7 kann beispielswiese deutlich abweichende physikalische Eigenschaften gegenüber dem Grundkörper 3 aufweisen. Zum Aufbau einer Isolationsstruktur weist das Bauteil 7 gegenüber dem Grundkörper 3 bzw. dem Grundkörperabschnitt eine wesentlich geringere thermische Leitfähigkeit auf, was ebenfalls besonders zum Einsatz in Hochvoltbatterien zum Antrieb elektrischer Fahrzeuge geeignet ist. Durch das Bauteil 7 können kurzfristige Temperaturimpulse aufgenommen werden. Dazu eignen sich insbesondere Bauteile aus CrNi-Stahl oder Keramik. In einer Alternative lässt sich eine gute thermische Leitstruktur erstellen, wenn das Bauteil 7 aus Kupfer oder einer KupferLegierung besteht, während der Grundkörper 3 oder der Grundkörperabschnitt aus hochlegiertem CrNi-Stahl zur lokalen Ableitung von Temperaturspitzen besteht.
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 3390058 B1 [0002]
EP 3615247 B1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles, bei welchem ein Grundkörper (3) additiv gefertigt wird, indem einzelne aus einem Pulvermaterial bestehende Schichten (9) aufeinander aufgetragen und miteinander verschmolzen werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einen Abschnitt des Grundkörpers (3) mindestens ein Bauteil (7) aufgelegt bzw. aufgebracht wird, welches aus einem anderen Werkstoff besteht als der mindestens eine Abschnitt des Grundkörpers (3) und mindestens eine weitere aus dem Pulvermaterial bestehende Schicht (9) neben und/oder über dem mindestens einem Bauteil (7) und dem mindestens einen Abschnitt des Grundkörpers (3) aufgebracht und zumindest partiell angeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bauteil (7) örtlich angeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Kanten (11, 13) des mindestens einen Bauteils (7) von der mindestens einen weiteren aus Pulvermaterial bestehenden Schicht (9) bedeckt und angeschmolzen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bauteil (72, 73) Aussparungen (21, 23) aufweist, in welche die aus Pulvermaterial bestehende mindestens eine weitere Schicht (9) eingebracht und aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bauteil (7) aus einem chemisch und/oder mechanisch und/oder tribologisch beständigerem Werkstoff besteht als der mindestens eine Abschnitt des Grundkörpers (3) besteht.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bauteil (7) gegenüber dem mindestens einen Abschnitt des Grundkörpers (3) veränderte physikalische Eigenschaften aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Bauteil (15) mittels eines klassischen Fügeverfahrens auf dem mindestens einen, an dem Grundkörper (3) angeschmolzenen Bauteil (7) aufgebracht wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere durch das klassische Fügeverfahren auf dem mindestens einem, an den Grundkörper (3) angeschmolzenen Bauteil (7) aufgebrachte Bauteil (15) zur lokalen Abschirmung von aggressiven Medien verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bauteil (7) hoch korrosionsbeständig ist und an dem weniger korrosionsbeständigen mindestens einen Abschnitt des Grundkörpers (3) angebracht wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf das mindestens eine hoch korrosionsbeständige Bauteil (7) ein Identifizierungselement aufgebracht und/oder in dieses eingebracht wird.