WO2020030375A1 - Hybridbauteil sowie verfahren zum herstellen eines hybridbauteils - Google Patents

Hybridbauteil sowie verfahren zum herstellen eines hybridbauteils Download PDF

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section
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hybrid component
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Patrick Mueller
Jean-Marc Segaud
Christof Schoenhammer
Dominik Schittenhelm
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a hybrid or composite component and a method for producing a hybrid or composite component.
  • the hybrid or composite components of the type in question are components or components which comprise several different materials. This is necessary, for example, in order to meet certain rigidity or strength requirements and / or to achieve (at the same time) weight targets, etc.
  • DE 10 2004 010 762 A1 discloses a composite component which has a sheet metal structure and comprises a light metal structure which is at least partially cast on to it, with openings being made in the cast-iron area in a casting area and the sheet metal structure being provided with a coating, at least in the casting area, which has an electrically insulating effect.
  • the sheet metal structure is, in particular, a steel sheet, an aluminum sheet or a magnesium sheet.
  • a disadvantage of such material connections is that, due to the different elasticity modules of the materials used, jumps in stiffness occur at the transition points or the connection areas of the different materials, which, particularly with dynamic loading, have disadvantages with regard to durability , The result can be an early failure of such components.
  • a hybrid component comprises at least two component sections which are connected via at least one connecting section, the at least one connecting section extending along a joining direction, a first component section being formed or produced from a first material which has a first modulus of elasticity and wherein a second component section is formed or produced from a second material which has a second elastic modulus different from the first elastic modulus, and wherein the at least one connecting section is designed to at least compensate for a stiffness jump between the component sections, in that the at least one connecting section has a stiffness which increases along the joining direction and in the direction of the component section with the higher modulus of elasticity.
  • the hybrid component or the composite component is a component or a component for a motor vehicle, such as, for example, a motor vehicle, a commercial vehicle or even a motorcycle.
  • the (hybrid) component can be a frame or structural component.
  • the at least one connecting section is advantageously designed or designed in such a way that the jump in stiffness between the different materials or materials of the component sections runs smoothly or as softly as possible, in other words, so that there is as little as possible a change in stiffness. This is achieved in that the connecting section has a stiffness along the joining direction, which increases in the direction of the material with the higher modulus of elasticity or in the direction of the stiffer component section.
  • the first material corresponds to a first material and the second material a second material.
  • the first and / or the second material can also be a mixture of materials, the mixture then having a corresponding modulus of elasticity.
  • the respective modulus of elasticity can be calculated according to the formula given below.
  • the connecting section is expediently surrounded or enveloped by the first or the second component section or embedded in the respective section.
  • the at least one connecting section is cast, for example in low-pressure casting, in die-casting or when using plastics, for example also in injection molding.
  • the at least one connecting section is preferably formed or provided by a (separate) insert element or by one of the component sections.
  • two component sections are therefore directly or directly connected or indirectly, namely by means of the insert element or possibly also several.
  • the manufacturing possibilities are therefore advantageously diverse.
  • the component sections in turn can also be produced from many different types.
  • the first or the second component section is also a formed part.
  • the insert element is a cast part, e.g. B. a die-cast part.
  • the insert element is a sheet metal, for example a steel or aluminum sheet.
  • the at least one connecting section has a perforation or a hole pattern which is designed such that a stiffness of the connecting section increases or decreases along the joining direction.
  • the connecting section has a pore or sponge structure or is as trained such.
  • the pore or Schwa mm structure can be designed as a layer or coating.
  • the connecting section is also designed at least in regions as such as a pore or sponge structure. According to one embodiment, such a structure is advantageously produced additively.
  • the joining direction extends from the first component section to the second component section or vice versa.
  • the expression “direction” is not to be understood as a straight line or the like.
  • the "direction” can e.g. B. also run in an arc, is therefore dependent on the design of the connecting section.
  • the joining direction is in a connecting plane and not across or perpendicular to it.
  • the shape of the at least one connecting section as such depends on the geometry of the hybrid component or of the composite component as such.
  • the at least one connecting section can be designed as a simple web or as a tab, but may also have, for example, a (complicated) three-dimensional shape.
  • the aforementioned perforation or the hole pattern or the pore or sponge structure advantageously enable a targeted weakening or reduction in the stiffness of the respective connecting section and thus a targeted adjustment or laying out of the same in order to adapt it to the stiffness or the elasticity modules of the adjacent materials.
  • the perforation or the hole pattern has holes and / or recesses which have a different size, density, distribution and / or orientation along the joining direction.
  • the holes and / or recesses become smaller and / or less in the direction of the component section with the higher modulus of elasticity, for example a porosity decreases.
  • a wall thickness of the connecting section is also sets or chose that this increases in the direction of the component section with the higher modulus of elasticity, whereby a stiffness adjustment can also take place. If an insert element is used, it must always be taken into account how high the modulus of elasticity of the material of the insert element is.
  • the connecting section is preferably designed in such a way that the elasticity module is degraded or decreased approximately linearly along the joining direction and then rebuilt or increased, with slopes between 0.5 and 1.5 having proven advantageous, a slope of 1 , 05 or about 1, 05 as particularly advantageous (the aforementioned values relate to the amounts of the slopes).
  • the aforementioned modulus of elasticity E in the area of the connecting section is calculated as follows:
  • E E 10 * Vio + E 2 O ⁇ (1— n 2 o), where E10 denotes the modulus of elasticity of a material of the connecting section, V10 the volume fraction of the material of the connecting section, E20 the modulus of elasticity of the material of the first or second component section and V20 the volume fraction of the material of the first or of the second component section in the corresponding region. A homogeneous mixing of the materials is assumed.
  • the insert element preferably comprises two connecting sections.
  • the insert element can also have only one connecting section.
  • a free section is preferably provided between the connecting sections.
  • the two connecting sections are therefore spaced apart from one another.
  • a distance or gap is formed or created between the two materials or between the two component sections, which gap is particularly suitable for the locking position of the hybrid component. is in part because the materials of the two component sections are not in direct contact.
  • the insert element can be cast around the first material, for example in die casting, in order then to be overmolded with the second material shortly afterwards. A direct extrusion coating of the first material might not be possible due to its temperature.
  • the free section has holes and / or recesses. This may be necessary if the insert element as such would be too stiff. It is also expedient for the stiffness to be specifically adjusted in the free section.
  • a material of the insert element has an elasticity module which lies between the elasticity modules of the first and the second material. This alone makes it possible to at least reduce a jump in stiffness between the two component sections. In particular, in combination with a suitably designed perforation or a correspondingly structured hole pattern etc., the transition can be further optimized if necessary.
  • the insert element is also formed from the first material or from the second material.
  • the first material is a metal and the second material is a non-metal.
  • the metal is in particular a light metal such as magnesium and / or aluminum.
  • the non-metal can be a plastic.
  • the first material can also be a non-metal or the second material can also be a metal.
  • the invention is also directed to a method for producing a hybrid component, comprising the steps:
  • the first material has a different modulus of elasticity than the second material
  • the element which also corresponds to the aforementioned first component section is produced in die casting, in particular in aluminum die casting.
  • a perforation or a hole pattern is advantageously introduced into the first component section using the corresponding tool. This can be done, for example, by punching or cutting using a corresponding device directly in the die casting mold and / or can also be carried out in an additional step after the casting has been removed.
  • an insert element is inserted into the casting tool, in particular into the die casting tool, and protrudes as a joint from the component, in particular the first component section.
  • the aforementioned pore or sponge structure is produced by means of an additive manufacturing process.
  • the connecting section is manufactured additively as such.
  • the insert element is made additively.
  • the method comprises the step:
  • the connecting section by mechanical processing.
  • a perforation or a hole pattern is expediently produced, for example, by a punching or cutting process.
  • the perforation or the hole pattern can also be produced or shaped directly in the casting.
  • the method comprises the step:
  • the second material is in particular a plastic.
  • the second component section is made of a plastic material.
  • the at least one connecting section enables the most varied of materials to be permanently connected.
  • the connecting section enables a graded material transition to achieve a smooth transition of the different material properties in the mixing area.
  • the use of the aforementioned insert element enables both processes to be represented in a system or in a tool by means of thermal separation. At the typical removal temperature of the metallic component (e.g. in die casting), a directly molded plastic component would be damaged. In order not to increase the cycle time due to the otherwise necessary cooling times, the additional insert element ensures thermal separation, which means that the plastic component or one can be sprayed on without coming into direct contact with the still hot metallic component , The result is a reduction in component and investment costs.
  • the method for producing a hybrid component from two component sections is a method for producing the hybrid component according to the invention.
  • the advantages and features mentioned in connection with the hybrid component apply analogously and correspondingly to the method and vice versa.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an embodiment of a hybrid component, comprising a first component section 10 and a second component section 20, which are connected via an insertion element 40 along a joining direction R.
  • the insert element 40 comprises or forms two connecting sections 30, which in the embodiment shown here have a hole pattern or perforation 32, the geometry of which is selected such that a rigidity of the insert element 40 both to the second component section 20 and to the first Component section 10 decreases.
  • the insert element 40 is formed from a material whose modulus of elasticity is above the moduli of elasticity of the first component section 10 and of the second component section 20.
  • the insert element 40 comprises two connecting sections 40. Between the connecting sections 40, a (exaggeratedly large) free section 31 is formed, which enables a kind of thermal decoupling or separation between the first component section 10 and the second component section 20. Among other things, this enables a short manufacturing process, since e.g. B. a second component section 20 made of plastic can already be molded on when a first ter component section 10 made of metal, which has just been cast, may still have too high temperatures.
  • an elasticity module of the insert element 40 can be selected accordingly and / or the free section 31 for targeted weakening with holes and / or recesses etc. be provided.
  • FIG. 2 essentially shows the configuration of a hybrid component known from FIG. 1, comprising a first component section 10 and a second component section 20.
  • a connecting section 30, comprising a perforation or a hole pattern 32, produced directly by the first component section 10.
  • FIG. 3 finally shows a schematic course of an elasticity module across a connecting section between a first component 10, which is made of a material / material with an elasticity module E1, and a second component section 20, which is made of a material / material with an elasticity module E2 is manufactured.
  • the elastic modulus E1 is higher than the elastic modulus E2.
  • a course x of an elasticity module can be created in the area of the connecting section, which enables a smooth transition between the first component section 10 and the second component section 20.

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Abstract

Hybridbauteil, umfassend zumindest zwei Bauteilabschnitte, welche über zumindest einen Verbindungsabschnitt verbunden sind, wobei sich der zumindest eine Verbindungsabschnitt entlang einer Fügerichtung erstreckt, wobei ein erster Bauteilabschnitt aus einem ersten Material gebildet ist, welches einen ersten Elastizitätsmodul aufweist, und wobei ein zweiter Bauteilabschnitt aus einem zweiten Material gebildet ist, welches einen zum ersten Elastizitätsmodul unterschiedlichen zweiten Elastizitätsmodul aufweist, und wobei der zumindest eine Verbindungsabschnitt ausgelegt ist, einen Steifigkeitssprung zwischen den beiden Bauteilabschnitten zumindest zu kompensieren, dadurch dass der zumindest eine Verbindungsabschnitt eine Steifigkeit aufweist, welche entlang der Fügerichtung und in Richtung des Bauteilabschnitts mit dem höheren Elastizitätsmodul zunimmt.

Description

Hybridbauteil sowie Verfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybrid- bzw. Verbundbauteil sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Hybrid- bzw. Verbundbauteils.
Bei den Hybrid- oder Verbundbauteilen der in Rede stehenden Art handelt es sich um Komponenten bzw. Bauteile, welche mehrere verschiedene Materia- lien umfassen. Dies ist beispielsweise nötig, um bestimmte Steifigkeits- oder Festigkeitsanforderungen zu erfüllen und/oder um (gleichzeitig) Gewichtszie- le zu erreichen etc. Aus der DE 10 2004 010 762 A1 ist in diesem Zusam- menhang beispielsweise ein Verbundbauteil bekannt, das eine Blechstruktur und eine an diese zumindest teilweise angegossene Leichtmetallstruktur um- fasst, wobei in der Blechstruktur in einem Umgussbereich Durchbrechungen eingebracht sind und die Blechstruktur zumindest im Umgussbereich mit ei- ner Beschichtung versehen ist, die elektrisch isolierend wirkt. Bei der Blech- struktur handelt es sich insbesondere um ein Stahlblech, um ein Aluminium- blech oder um ein Magnesiumblech. Nachteilig bei derartigen Materialverbin- dungen ist es, dass aufgrund der unterschiedlichen Elastizitätsmodule der verwendeten Werkstoffe an den Übergangsstellen bzw. den Verbindungsbe- reichen der unterschiedlichen Werkstoffe Steifigkeitssprünge auftreten, wel- che, insbesondere bei dynamischer Belastung, Nachteile bezüglich der Dau- erhaltbarkeit mit sich bringen. Ein frühzeitiger Ausfall derartiger Bauteile kann die Folge sein.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hybridbauteil so- wie ein Verfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils anzugeben, welche die bekannten Bauteile und Verfahren weiterentwickeln, hohe Haltbarkeiten aufweisen und dabei schnell zu fertigen sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Hybridbauteil gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Erfindungsgemäß umfasst ein Hybridbauteil zumindest zwei Bauteilabschnit- te, welche über zumindest einen Verbindungsabschnitt verbunden sind, wo- bei sich der zumindest eine Verbindungsabschnitt entlang einer Fügerichtung erstreckt, wobei ein erster Bauteilabschnitt aus einem ersten Material gebil- det oder hergestellt ist, welcher einen ersten Elastizitätsmodul aufweist, und wobei ein zweiter Bauteilabschnitt aus einem zweiten Material gebildet oder hergestellt ist, welches einen zum ersten Elastizitätsmodul unterschiedlichen zweiten Elastizitätsmodul aufweist, und wobei der zumindest eine Verbin- dungsabschnitt ausgelegt ist, einen Steifigkeitssprung zwischen den Bauteil- abschnitten zumindest zu kompensieren, dadurch dass der zumindest eine Verbindungsabschnitt eine Steifigkeit aufweist, welche entlang der Fügerich- tung und in Richtung des Bauteilabschnitts mit dem höheren Elastizitätsmo- dul zunimmt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Hybridbauteil bzw. bei dem Verbundbauteil um ein Bauteil oder eine Komponente für ein Kraftfahrzeug, wie beispielsweise einen Personen kraft- wagen, ein Nutzfahrzeug oder auch ein Kraftrad. Insbesondere kann es sich bei dem (Hybrid-)Bauteil um ein Rahmen- oder Strukturbauteil handeln. Mit Vorteil ist der zumindest eine Verbindungsabschnitt derart gestaltet bzw. ausgelegt, dass der Steifigkeitssprung zwischen den verschiedenen Werk- stoffen bzw. Materialien der Bauteilabschnitte weich oder möglichst weich verläuft, mit anderen Worten also möglichst kein Steifigkeitssprung auftritt. Erreicht wird dies dadurch, dass der Verbindungsabschnitt entlang der Füge- richtung eine Steifigkeit aufweist, welche in Richtung des Materials mit dem höheren Elastizitätsmodul bzw. in Richtung des steiferen Bauteilabschnitts zunimmt. Dadurch wird ein gradierter Übergang gebildet, welcher eine hybri- de Übergangszone bzw. Übergangsstruktur formt, in der sich über eine defi nierte Distanz die Steifigkeiten bzw. Elastizitätsmodule der zwei Bauteilab- schnitte angleichen sollen bzw. können. Gemäß eine Ausführungsform ent- spricht das erste Material einem ersten Werkstoff und das zweite Material einem zweiten Werkstoff. Alternativ kann es sich bei dem ersten und/oder dem zweiten Material aber auch jeweils um eine Werkstoffmischung handeln, wobei die Mischung dann einen entsprechenden Elastizitätsmodul aufweist. Eine Berechnung des jeweiligen Elastizitätsmoduls kann gemäß der weiter hinten angegebenen Formel erfolgen.
Der Verbindungsabschnitt ist zweckmäßigerweise vom ersten oder vom zweiten Bauteilabschnitt umgeben oder umhüllt bzw. in den jeweiligen Ab- schnitt eingebettet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Verbin- dungsabschnitt umgossen, beispielsweise im Niederdruckguss, im Druck- guss oder bei Verwendung von Kunststoffen, beispielsweise auch im Spritz- guss.
Bevorzugt ist der zumindest eine Verbindungsabschnitt durch ein (gesonder- tes) Einlegeelement oder durch einen der Bauteilabschnitte gebildet bzw. bereitgestellt. Zwei Bauteilabschnitte sind also gemäß einer Ausführungsform direkt bzw. unmittelbar verbunden oder mittelbar, nämlich mittels des Einle- geelements oder ggf. auch mehrerer. Die Herstellungsmöglichkeiten sind also mit Vorteil entsprechend vielfältig. Die Bauteilabschnitte ihrerseits sind ebenfalls aus vielerlei Arten herstellbar. Gemäß einer Ausführungsform han- delt es sich bei dem ersten oder dem zweiten Bauteilabschnitt auch um ein Umformteil. Das Einlegeelement ist gemäß einer Ausführungsform ein Guss- teil, z. B. ein Druckgussteil. Gemäß einer Ausführungsform ist das Einlege- lement ein Blech, beispielsweise ein Stahl- oder Aluminiumblech.
Gemäß einer Ausführungsform weist der zumindest eine Verbindungsab- schnitt eine Perforation oder ein Lochbild auf, welche oder welches derart ausgebildet ist, dass eine Steifigkeit des Verbindungsabschnitts entlang der Fügerichtung zu- oder abnimmt. Gemäß einer Ausführungsform weist der Verbindungsabschnitt eine Poren- oder Schwammstruktur auf oder ist als solche ausgebildet. Die Poren- oder Schwa mm Struktur kann als Schicht oder Umhüllung ausgebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform ist der Verbin- dungsabschnitt aber auch zumindest bereichsweise als solcher als Poren- oder Schwammstruktur ausgebildet. Eine derartige Struktur ist gemäß einer Ausführungsform vorteilhafterweise additiv hergestellt.
Die Fügerichtung erstreckt sich vom ersten Bauteilabschnitt zum zweiten Bauteilabschnitt bzw. umgekehrt. Dabei ist der Ausdruck„Richtung“ nicht als eine Gerade oder dergleichen zu verstehen. Die„Richtung“ kann z. B. auch in einem Bogen verlaufen, ist also abhängig von der Ausgestaltung des Ver- bindungsabschnitts. Dabei liegt die Fügerichtung aber in einer Verbindungs- ebene und nicht quer oder senkrecht dazu. In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass die Form des zumindest einen Verbindungsabschnitts als solche abhängig von der Geometrie des Hybridbauteils bzw. des Ver- bundbauteils als solches ist. Entsprechend kann der zumindest eine Verbin- dungsabschnitt als einfacher Steg oder als Lasche ausgebildet sein, ggf. aber auch eine beispielsweise (komplizierte) dreidimensionale Gestalt auf- weisen.
Die vorgenannte Perforation bzw. das Lochbild oder auch die Poren- oder Schwammstruktur ermöglichen mit Vorteil eine gezielte Schwächung bzw. Steifigkeitsverringerung des jeweiligen Verbindungsabschnitts und damit ein gezieltes Einstellen bzw. Auslegen desselben, um diesen an die Steifigkeiten bzw. die Elastizitätsmodule der angrenzenden Materialien anzupassen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Perforation oder das Lochbild Lö- cher und/oder Ausnehmungen auf, welche eine unterschiedliche Größe, Dichte, Verteilung und/oder Ausrichtung entlang der Fügerichtung aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform werden die Löcher und/oder Ausnehmungen in Richtung des Bauteilabschnitts mit dem höheren Elastizitätsmodul kleiner und/oder weniger, eine Porosität nimmt beispielsweise ab. Zusätzlich oder alternativ ist eine Wandstärke des Verbindungsabschnitts auch derart einge- stellt bzw. gewählt, dass diese in Richtung des Bauteilabschnitts mit dem höheren Elastizitätsmodul zunimmt, wodurch ebenfalls eine Steifigkeitsan- passung erfolgen kann. Im Falle der Verwendung eines Einlegeelements ist dabei immer zu beachten, wie hoch der Elastizitätsmodul des Materials des Einlegeelements ist.
Bevorzugt ist der Verbindungsabschnitt derart gestaltet, dass der Elastizi tätsmodul entlang der Fügerichtung etwa linear abgebaut wird oder abnimmt und wieder aufgebaut wird oder zunimmt, wobei sich hierbei Steigungen zwi- schen 0,5 bis 1 ,5 als vorteilhaft erwiesen haben, eine Steigung von 1 ,05 oder etwa 1 ,05 als besonders vorteilhaft (die vorgenannte Werte betreffen die Be- träge der Steigungen). Der vorgenannte Elastizitätsmodul E im Bereich des Verbindungsabschnitts wird dabei wie folgt berechnet:
E = E10 * Vio + E2O · (1— n2o), wobei E10 den Elastizitätsmodul eines Materials des Verbindungsabschnitts bezeichnet, V10 den Volumenanteil des Materials des Verbindungsabschnitts, E20 den Elastizitätsmodul des Materials des ersten oder des zweiten Bauteil- abschnitts und V20 den Volumenanteil des Materials des ersten oder des zweiten Bauteilabschnitts im entsprechenden Bereich. Angenommen wird hierbei eine homogene Durchmischung der Werkstoffe.
Bevorzugt umfasst das Einlegeelement zwei Verbindungsabschnitte. Alterna- tiv kann das Einlegelement aber auch nur einen Verbindungsabschnitt auf- weisen.
Bevorzugt ist zwischen den Verbindungsabschnitten ein freier Abschnitt vor- gesehen. Die beiden Verbindungsabschnitte sind also voneinander beab- standet. Mit anderen Worten wird zwischen den beiden Materialien bzw. zwi- schen den beiden Bauteilabschnitten ein Abstand bzw. Spalt gebildet oder geschaffen, welcher insbesondere für die Fierstellung des Hybridbauteils vor- teilhaft ist, da die Materialien der beiden Bauteilabschnitte nicht unmittelbar in Kontakt sind. Das Einlegeelement kann beispielsweise im Druckguss mit dem ersten Werkstoff umgossen werden, um dann zeitlich kurz danach mit dem zweiten Werkstoff umspritzt zu werden. Ein direktes Umspritzen des ersten Materials wäre ggf. aufgrund dessen Temperatur noch gar nicht mög- lich.
Gemäß einer Ausführungsform weist der freie Abschnitt Löcher und/oder Ausnehmungen auf. Dies kann nötig sein, wenn das Einlegeelement als sol- ches zu steif wäre. Zweckmäßigerweise erfolgt auch im freien Abschnitt eine gezielte Steifigkeitsanpassung.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Werkstoff des Einlegeelements ei- nen Elastizitätsmodul auf, welcher zwischen den Elastizitätsmodulen des ersten und des zweiten Materials liegt. Allein dadurch ist es möglich, einen Steifigkeitssprung zwischen den beiden Bauteilabschnitten zumindest zu re- duzieren. Insbesondere in Kombination mit einer geeignet ausgebildeten Per- foration oder einem entsprechend strukturierten Lochbild etc. kann der Über- gang ggf. noch weiter optimiert werden. Gemäß einer Ausführungsform ist das Einlegeelement auch aus dem ersten Material oder aus dem zweiten Material gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Werkstoff ein Metall und der zweite Werkstoff ein Nichtmetall. Gemäß einer Ausführungsform ist das Me- tall insbesondere ein Leichtmetall wie Magnesium und/oder Aluminium. Bei dem Nichtmetall kann es sich um einen Kunststoff handeln. Alternativ kann es sich aber auch bei dem ersten Werkstoff um ein Nichtmetall handeln bzw. bei dem zweiten Werkstoff auch um ein Metall.
Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines Hyb- ridbauteils, umfassend die Schritte:
Bereitstellen eines Elements aus einem ersten Material; - Zumindest bereichsweises Umgießen des Elements mit einem zweiten Material entlang eines Verbindungsabschnitts, wobei sich der Verbin- dungsabschnitt entlang einer Fügerichtung erstreckt, und
wobei das erste Material einen zum zweiten Material unterschiedlichen Elastizitätsmodul aufweist;
- Gestalten des Verbindungsabschnitts derart, dass dessen Steifigkeit entlang der Fügerichtung und in Richtung des Materials mit dem höhe- ren Elastizitätsmodul zunimmt.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Element, welches auch dem vorge- nannten ersten Bauteilabschnitt entspricht, im Druckguss, insbesondere im Aluminiumdruckguss, hergestellt. Mit Vorteil erfolgt ein Einbringen einer Per- foration oder eines Lochbilds über das entsprechende Werkzeug in den ers- ten Bauteilabschnitt. Dies kann beispielsweise durch ein Stanzen oder Schneiden über eine entsprechende Vorrichtung direkt in der Druckgussform erfolgen und/oder auch in einem zusätzlichen Schritt nach der Gussteilent- nahme ausgeführt werden. Alternativ wird ein Einlegeelement in das Guss- werkzeug, insbesondere in das Druckgusswerkzeug, eingelegt und ragt als Fügestelle aus dem Bauteil, insbesondere also dem ersten Bauteilabschnitt, heraus.
Die vorgenannte Poren- oder Schwammstruktur ist gemäß einer Ausfüh- rungsform mittels eines additiven Fertigungsverfahrens herstellt. Gemäß ei- ner Ausführungsform ist der Verbindungsabschnitt als solcher additiv gefer- tigt. Gemäß einer Ausführungsform ist das Einlegeelement additiv gefertigt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- Gestalten des Verbindungsabschnitt durch mechanisches Bearbeiten. Zweckmäßigerweise werden eine Perforation oder ein Lochbild beispielswei- se durch ein Stanz- oder Schneidverfahren hergestellt. Alternativ können die Perforation oder das Lochbild auch direkt im Guss hergestellt bzw. ausge- formt sein. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- Umgießen mit dem zweiten Material im Spritzguss.
Hierbei handelt es sich bei dem zweiten Material insbesondere um einen Kunststoff. Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Bauteilabschnitt aus einem Kunststoffwerkstoff gefertigt. Der zumindest eine Verbindungsab- schnitt ermöglicht ein dauerhaftes Verbinden der verschiedensten Werkstof- fe.
Der Verbindungsabschnitt ermöglicht einen gradierten Werkstoffübergang zur Realisierung eines fließenden Übergangs der unterschiedlichen Werk- stoffeigenschaften im Mischbereich. Insbesondere die Verwendung des vor- genannten Einlegeelements ermöglicht die Darstellung beider Prozesse in einer Anlage bzw. in einem Werkzeug durch thermische Trennung. Bei der typischen Entnahmetemperatur der metallischen Komponente (z. B. im Druckguss) würde eine direkt angespritzte Kunststoffkomponente geschädigt werden. Um die Taktzeit durch sonst notwendige Abkühlzeiten nicht zu erhö- hen, ist durch das zusätzliches Einlegeelement die thermische Trennung ge- währleistet, wodurch die bzw. eine Kunststoffkomponente aufgespritzt wer- den kann ohne in direkten Kontakt mit der noch heißen metallischen Kompo- nente zu kommen. Die Folge ist eine Reduzierung der Bauteil- und Investiti onskosten .
Insbesondere handelt es sich bei dem Verfahren zum Herstellen eines Hyb- ridbauteils aus zwei Bauteilabschnitten um ein Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Hybridbauteils. Die im Zusammenhang mit dem Hybrid- bauteil erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend für das Verfahren sowie umgekehrt.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Be- schreibung von Ausführungsformen von Hybridbauteilen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 : eine Ausführungsform eines Hybridbauteils mit einem Einlege- element;
Fig. 2: eine Ausführungsform eines Hybridbauteils, wobei ein Verbin- dungsabschnitt durch eines der Bauteilabschnitte ausgebildet ist;
Fig. 3: einen Verlauf des Elastizitätsmoduls über einen Verbindungs- abschnitt hinweg.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Hybrid bauteils, umfassend einen ersten Bauteilabschnitt 10 und einen zweiten Bau- teilabschnitt 20, welche über ein Einlegeelement 40 entlang einer Fügerich- tung R verbunden sind. Das Einlegeelement 40 umfasst oder formt zwei Ver- bindungsabschnitte 30, welche in der hier gezeigten Ausführungsform ein Lochbild bzw. eine Perforation 32 aufweisen, deren Geometrie derart gewählt ist, dass eine Steifigkeit des Einlegeelements 40 sowohl zum zweiten Bau- teilabschnitt 20 als auch zum ersten Bauteilabschnitt 10 abnimmt. Das Einle- geelement 40 ist aus einem Material gebildet, dessen Elastizitätsmodul über den Elastizitätsmoduln des ersten Bauteilabschnitts 10 ist und des zweiten Bauteilabschnitts 20 liegt. In der Folge kann zumindest bereichsweise ein gradierter Werkstoffübergang ermöglicht bzw. ein fließender Übergang der Werkstoffeigenschaften im Mischbereich bzw. im Bereich der Verbindungs- abschnitte 30 erzielt werden. Das Einlegeelement 40 umfasst zwei Verbin- dungsabschnitte 40. Zwischen den Verbindungsabschnitten 40 ist ein (über- trieben groß dargestellter) freier Abschnitt 31 ausgebildet, welcher eine Art thermische Entkopplung oder Trennung zwischen dem ersten Bauteilab- schnitt 10 und dem zweiten Bauteilabschnitt 20 ermöglicht. Dies ermöglicht unter anderem einen kurzen Herstellungsprozess, da z. B. ein zweiter Bau- teilabschnitt 20 aus Kunststoff bereits angeformt werden kann, wenn ein ers- ter Bauteilabschnitt 10 aus Metall, welcher gerade gegossen wurde, evtl noch zu hohe Temperaturen aufweist. Um über eine gesamte Länge des Ein- legeelements 40 einen gleichmäßigen ansteigenden bzw. absteigenden Ver- lauf der Steifigkeit zu erzielen, kann ein Elastizitätsmodul des Einlegeele- ments 40 entsprechend gewählt und/oder der freie Abschnitt 31 zur gezielten Schwächungen mit Löchern und/oder Ausnehmungen etc. versehen sein.
Fig. 2 zeigt im Wesentlichen die aus der Fig. 1 bekannte Konfiguration eines Hybridbauteils, umfassend einen ersten Bauteilabschnitt 10 und einen zwei- ten Bauteilabschnitt 20. In der hier dargestellten Ausführungsform ist aller- dings ein Verbindungsabschnitt 30, umfassend eine Perforation bzw. ein Lochbild 32, unmittelbar durch den ersten Bauteilabschnitt 10 hergestellt.
Fig. 3 zeigt abschließend einen schematischen Verlauf eines Elastizitätsmo- duls über einen Verbindungsabschnitt hinweg zwischen einem ersten Bauteil 10, welches aus einem Material/Werkstoff mit einem Elastizitätsmodul E1 hergestellt ist, und einem zweiten Bauteilabschnitt 20, welches aus einem Material/Werkstoff mit einem Elastizitätsmodul E2 hergestellt ist. Der Elastizi tätsmodul E1 ist höher als der Elastizitätsmodul E2. Durch einen entspre- chend ausgebildeten Verbindungsabschnitt, vgl. beispielsweise die Figuren 1 und 2, kann allerdings ein Verlauf x eines Elastizitätsmoduls im Bereich des Verbindungsabschnitts geschaffen werden, welcher einen weichen Übergang zwischen dem ersten Bauteilabschnitt 10 und dem zweiten Bauteilabschnitt 20 ermöglicht. Bewertet man den Abfall des Elastizitätsmoduls vom ersten Bauteilabschnitt 10 zum zweiten Bauteilabschnitt 20 über die Übergangszone bzw. den Verbindungsabschnitt hinweg, so haben sich je nach Werkstoffpaa- rung Steigungen zwischen 0,5 und 1 , insbesondere in einem Bereich von etwa 1 ,05 als sinnvoll erwiesen. In der hier dargestellten Skizze weist die Steigung einen negativen Wert auf. Bezugszeichenliste
10 erster Bauteilabschnitt, Element 20 zweiter Bauteilabschnitt
30 Verbindungsabschnitt
31 freier Abschnitt, Spalt
32 Lochbild, Perforation
40 Einlegeelement
E1 Elastizitätsmodul erster Werkstoff E2 Elastizitätsmodul zweiter Werkstoff x Verlauf Elastizitätsmodul
R Fügerichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Hybridbauteil,
umfassend zumindest zwei Bauteilabschnitte (10, 20), welche über zu mindest einen Verbindungsabschnitt (30) verbunden sind,
wobei sich der zumindest eine Verbindungsabschnitt (30) entlang einer Fügerichtung (R) erstreckt,
wobei ein erster Bauteilabschnitt (10) aus einem ersten Material gebil det ist, welches einen ersten Elastizitätsmodul aufweist, und
wobei ein zweiter Bauteilabschnitt (20) aus einem zweiten Material ge- bildet ist, welches einen zum ersten Elastizitätsmodul unterschiedlichen zweiten Elastizitätsmodul aufweist, und
wobei der zumindest eine Verbindungsabschnitt (30) ausgelegt ist, ei- nen Steifigkeitssprung zwischen den beiden Bauteilabschnitten (10, 20) zumindest zu kompensieren, dadurch dass der zumindest eine Verbin dungsabschnitt (30) eine Steifigkeit aufweist, welche entlang der Füge richtung (R) und in Richtung des Bauteilabschnitts (10, 20) mit dem hö- heren Elastizitätsmodul zunimmt.
2. Hybridbauteil nach Anspruch 1 ,
wobei der zumindest eine Verbindungsabschnitt (30) durch ein Einlege- element (40) oder durch einen der Bauteilabschnitte (10, 20) gebil- det/bereitgestellt ist.
3. Hybridbauteil nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der zumindest eine Verbindungsabschnitt (30) eine Perforation oder ein Lochbild (32) aufweist.
4. Hybridbauteil nach Anspruch 3,
wobei die Perforation oder das Lochbild (32) Löcher und/oder Ausneh- mungen aufweist, welche eine unterschiedliche Größe, Dichte, Vertei- lung und/oder Ausrichtung aufweisen.
5. Hybridbauteil nach einem der Ansprüche 2-4,
wobei das Einlegeelement (40) zwei Verbindungsabschnitte (30) um fasst.
6. Hybridbauteil nach Anspruch 5,
wobei zwischen den Verbindungsabschnitten (30) ein freier Abschnitt (31 ) vorgesehen ist.
7. Hybridbauteil nach Anspruch 6,
wobei der freie Abschnitt (31 ) Löcher und/oder Ausnehmungen auf weist.
8. Hybridbauteil nach einem der Ansprüche 2-7,
wobei ein Werkstoff des Einlegeelements (40) einen Elastizitätsmodul aufweist, welcher zwischen den Elastizitätsmodulen des ersten und des zweiten Materials liegt.
9. Hybridbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das erste Material ein Metall ist und das zweite Material ein Nichtmetall.
10. Verfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils,
umfassend die Schritte:
- Bereitstellen eines Elements (10) aus einem ersten Material;
- Zumindest bereichsweises Umgießen des Elements (10) mit ei nem zweiten Material entlang eines Verbindungsabschnitts (30), wobei sich der Verbindungsabschnitt (30) entlang einer Fügerich tung (R) erstreckt, und
wobei das erste Material einen zum zweiten Material unterschied lichen Elastizitätsmodul aufweist; - Gestalten des Verbindungsabschnitts (30) derart, dass dessen Steifigkeit entlang der Fügerichtung (R) und in Richtung des Mate- rials mit dem höheren Elastizitätsmodul zunimmt.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10,
umfassend den Schritt:
- Gestalten des Verbindungsabschnitts (30) durch mechanisches Bearbeiten.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 ,
wobei das zweite Material ein Kunststoff ist,
umfassend den Schritt:
- Umgießen mit dem zweiten Material im Spritzguss.
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