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Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils.
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Strukturbauteile für Kraftfahrzeuge werden üblicherweise als Blechformteile, als Profilbauteile oder als Gussbauteile ausgeführt.
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Aus der Druckschrift 10 2013 218 763 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils bekannt, bei dem zunächst ein Grundkörper durch ein konventionelles ur- und umformendes Fertigungsverfahren hergestellt wird und anschließend zur mechanischen Verstärkung des Grundkörpers eine Verstärkungsstruktur mittels Pulverauftragsschweißen auf die Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht wird. Der Grundkörper wird so ausgelegt, dass er die geringsten, an das Strukturbauteil gestellten mechanischen Belastungen erfüllt. Für Einsatzzwecke, die höhere Anforderungen an die mechanische Belastung stellen, wird der Grundkörper mittels der Verstärkungsstruktur entsprechend verstärkt.
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Gussbauteile haben den Vorteil, dass sie in Großserien sehr kostengünstig in hohen Stückzahlen hergestellt werden können. Jedoch haben im Gussverfahren, insbesondere im Sandgussverfahren, hergestellte Bauteile teilweise eine deutlich niedrigere Duktilität als beispielsweise umgeformte Bleche. Die niedrige Duktilität führt zu Problemen hinsichtlich Materialermüdung und im Crashverhalten. Diese Eigenschaften der Gussbauteile führen teilweise dazu, dass Gussverfahren nicht für eine Serienproduktion befähigt werden können.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine hinsichtlich der Bauteilqualität und Produktionskosten verbesserte Möglichkeit anzugeben, wie ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug hergestellt werden kann.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils nach Patentanspruch 1 und eine Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug nach Patentanspruch 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Herstellung eines Strukturbauteils eines Kraftfahrzeugs. Das Verfahren beinhaltet die Schritte:
- - Erzeugen eines Grundkörpers durch urformende Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Gussverfahren oder Strangpressen und/oder umformende Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Kalt- oder Warmumformen und
- - Erzeugen zumindest einer Zusatzstruktur auf der Oberfläche des Grundkörpers durch Aufschweißen von Drahtmaterial.
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Das Strukturbauteil ist vorzugsweise ein Metallbauteil. Dementsprechend ist der Grundkörper vorzugsweise aus Metall oder Metalllegierung ausgebildet. Bei dem aufgeschweißten Drahtmaterial handelt es sich vorzugsweise ebenfalls um ein Metall oder eine Metalllegierung.
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Das Aufschweißen eines Drahtmaterials ermöglicht eine kostengünstige und schnelle Individualisierung des Strukturbauteils. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass die Zusatzstruktur aufgrund der Verwendung von Drahtmaterial eine Oberfläche aufweist, die beispielsweise wesentlich glatter ist als die Oberfläche einer Pulverauftragsschweißung. Hierdurch weist die Zusatzstruktur eine verfahrensbedingt höhere Duktilität auf, als sie sich bei Verwendung von pulverförmigem Material ergeben würde.
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Vorzugsweise weist die Zusatzstruktur andere Materialeigenschaften auf als der Grundkörper. Beispielsweise wird als Drahtmaterial ein Werkstoff gewählt, der eine höhere Festigkeit oder eine höhere Duktilität aufweist als das Material des Grundkörpers. Das Drahtmaterial kann beispielsweise auch zusätzliche Legierungselemente enthalten.
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In einer Ausgestaltung ist es besonders bevorzugt, wenn die Zusatzstruktur mittels WAAM oder Laser-DED erzeugt wird. Beim Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) wird ein Metalldraht unter Verwendung eines elektrischen Lichtbogens aufgeschmolzen und mittels eines Mehrachs-Manipulators in der gewünschten Form schichtweise auf dem Bauteil aufgebracht zur Erzeugung der gewünschten Zusatzstruktur. Das Laser Direct Energy Deposition-Verfahren (Laser-DED) erfolgt ähnlich, jedoch wird der Draht mittels Laserstrahlung aufgeschmolzen. Beide Verfahren zeichnen sich durch sehr hohe Auftragsgeschwindigkeiten und hohe Flexibilität hinsichtlich der auftragbaren Geometrien aus. Zudem zeichnen sich Schweißnähte, die mit diesem Verfahren gefertigt werden, bei Verwendung eines entsprechenden Drahtwerkstoffs durch eine sehr hohe Duktilität aus.
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Es ist besonders bevorzugt, wenn der Grundkörper in einem Gussverfahren, vorzugsweise im Sandgussverfahren hergestellt wird. Gussverfahren sind großserientauglich und erzielen insbesondere bei großen Stückzahlen geringe Herstellungskosten. Zudem lassen sich im Gussverfahren auch sehr große Bauteile wirtschaftlich herstellen.
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Die Verwendung einer Zusatzstruktur aus aufgeschweißtem Drahtmaterial auf einem Gusskörper erzielt besondere Vorteile, die nachfolgend erläutert werden. So ist es nicht mehr notwendig, dass der Gusskörper allein bereits die mechanischen Anforderungen erfüllt, die an ein Strukturbauteil gestellt werden. Es hat sich herausgestellt, dass durch das Aufschweißen von Drahtmaterial eine gezielte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Strukturbauteils möglich ist. Hierzu werden auf das bereits gefertigte Gussbauteil an relevanten Stellen eine oder mehrere Zusatzstrukturen aufgebracht, beispielsweise entlang einer zu erwartenden mechanischen Belastung des Strukturbauteils. Die Zusatzstrukturen erhöhen beispielsweise die Festigkeit oder die Duktilität des Strukturbauteils. Zudem ist es möglich über das Drahtmaterial andere oder zusätzliche Legierungselemente in den Grundkörper, insbesondere den Gusskörper, einzubringen. Die Form, Lage, Größe und Länge der Zusatzstruktur, die Anzahl der hierzu erforderlichen übereinanderliegenden Schweißnähte und die Anzahl der Zusatzstrukturen kann beispielsweise durch Computersimulation identifiziert werden. Der Grundkörper, insbesondere der Gusskörper, wird somit lokal verstärkt und/oder verbessert. Zudem können Eigenschaften wie das Vibrationsverhalten oder das Verhalten im Crash beeinflusst werden.
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Dies ist in einer Ausgestaltung besonders vorteilhaft, in der der Grundkörper, insbesondere ein Gusskörper, allein über mechanische Eigenschaften verfügt, die für die Anforderungen an ein Strukturbauteil eines Kraftfahrzeugs unzureichend sind und diese Anforderungen erst durch das Aufbringen der Zusatzstruktur erfüllt werden.
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Beispielsweise wird durch die Zusatzstruktur eine mechanische Verstärkung des Grundkörpers bewirkt.
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Ebenso kann durch die Zusatzstruktur die Duktilität des Strukturbauteils erhöht werden. Somit können die Anforderungen an den Grundkörper reduziert werden. Üblicherweise werden Gusskörper, die als Strukturbauteile dienen sollen, einer Wärmebehandlung unterzogen, um die Duktilität des Gusskörpers zu erhöhen. Die Wärmebehandlung ist ein zusätzlicher Arbeitsschritt und erhöht die Kosten für die Produktion des Bauteils. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun möglich, auf eine Wärmebehandlung des Gusskörpers zu verzichten und eine ausreichende Duktilität des Strukturbauteils durch Aufbringen einer oder mehrerer Zusatzstrukturen aus aufgeschweißtem Drahtmaterial zu erzielen. Beispielsweise kann die Zusatzstruktur eine höhere Duktilität aufweisen als der Grundkörper. Somit erzielt das Verfahren besondere Kostenvorteile, die bislang nicht realisierbar waren.
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Für eine Erhöhung der Festigkeit des Strukturbauteils kann es in einer Ausgestaltung vorteilhaft sein, wenn die Zusatzstruktur eine rippenförmige Struktur ist. Die rippenförmige Struktur wird beispielsweise hergestellt, indem mehrere Lagen von Schweißdraht nacheinander und übereinander auf den Grundkörper aufgebracht werden.
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In einer Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn die Zusatzstruktur eine flächige Struktur ist, deren Breite durch eine Vielzahl nebeneinander geschweißter Drähte gebildet wird. Beispielsweise kann sich die Zusatzstruktur über eine gesamte Bauteilfläche, oder mindestens eine halbe Bauteilfläche oder mindestens ein Drittel einer Bauteilfläche erstrecken. Es ist auch denkbar, mehrere Bauteilflächen mit einer derartigen Zusatzstruktur zu versehen. Eine derartige Zusatzstruktur kann einlagig ausgebildet sein oder zwei oder mehrlagig aufgeschweißt sein. Eine flächige Struktur ermöglicht insbesondere eine deutliche Erhöhung der Duktilität des Strukturbauteils.
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Bei dem Strukturbauteil kann es sich beispielsweise um ein Fahrwerksbauteil handeln. Das Strukturbauteil kann ebenso ein Karosseriebauteil sein. Das Verfahren ermöglicht es, sehr große Strukturbauteile wirtschaftlich herzustellen. So ist es in einer Ausgestaltung möglich, dass das Strukturbauteil ein Hinterwagen, ein Vorderwagen oder ein Achsträger ist.
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Weiterhin wird ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug angegeben, mit einem Grundkörper, der in einem urformenden und/oder umformenden Fertigungsverfahren erzeugt wurde, und mit mindestens einer Zusatzstruktur, die auf dem Grundkörper durch Aufschweißen von Drahtmaterial erzeugt wurde.
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Das Strukturbauteil wird vorzugsweise mit dem voranstehenden Verfahren hergestellt und erzielt als solches dieselben Vorteile. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, gelten auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil sowie jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1 ein beispielhaftes Strukturbauteil, und
- 2 und 3 weitere beispielhafte Strukturbauteile.
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1 zeigt ein beispielhaftes Strukturbauteil 10. Dieses weist einen balkenförmigen Grundkörper 20 auf, auf dessen Oberfläche eine Zusatzstruktur 30 mittels WAAM oder Laser DED aufgeschweißt ist. Die Zusatzstruktur 30 besteht aus einer einzigen Reihe und einer einzigen Lage eines aufgeschweißten Drahtmaterials 40. Die Schweißverbindung kann, wie in 1 angedeutet, bis in das Material des Grundkörpers 20 hinein reichen, sodass es lokal zu einer Vermischung des Materials des Grundkörpers 20 und des Drahtmaterials 40 kommt.
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Zur Herstellung des Strukturbauteils 10 wird zunächst der Grundkörper 20 bereitgestellt. Der Grundkörper 20 kann durch ein umformende Fertigungsverfahren hergestellt sein. Vorzugsweise ist der Grundkörper 20 durch ein urformendes Fertigungsverfahren, insbesondere als Gussbauteil und vorzugsweise als Sandgussbauteil hergestellt. In einem nachfolgenden Schritt wird dann die Zusatzstruktur 30 auf den Grundkörper 20 aufgeschweißt.
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2 und 3 zeigen weitere beispielhafte Strukturbauteile 10A und 10B. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Merkmale und werden nicht erneut beschrieben. Die Zusatzstruktur 30A des Strukturbauteils 10A ist als flächige Struktur ausgebildet, wofür sechs Reihen Drahtmaterial 40 nebeneinander auf die Oberfläche des Grundkörpers 20 aufgeschweißt wurden.
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3 zeigt eine rippenförmige Zusatzstruktur 30B, bei der zwei Reihen von Schweißmaterial 40 nebeneinander in drei Lagen übereinander auf den Grundkörper 20 aufgeschweißt wurden.
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Die Darstellung des Strukturbauteils 10, 10A, 10B ist rein beispielhaft und dient lediglich der Erläuterung. Es versteht sich, dass Strukturteile von Kraftfahrzeugen vollständig andere Formen aufweisen können und meist aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10A, 10B
- Strukturbauteil
- 20
- Grundkörper
- 30, 30A, 30B
- Zusatzstruktur
- 40
- Drahtmaterial
