DE102013219250A1

DE102013219250A1 - Bauelement im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs mit durch Laserschmelzen aufgebauter Verstärkung

Info

Publication number: DE102013219250A1
Application number: DE201310219250
Authority: DE
Inventors: Karl Rötsch; Stephan Ertlmaier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2014-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Rad oder einen Radträger oder ein Schwenklager oder einen radführender Lenker oder einen Gussknoten in einem Achsträger, welches in einem Leichtbau-Werkstoff ausgeführt und an zumindest einer höher belasteten Stelle durch Laserschmelzen, insbesondere einem Selective-Laser-Melting-Verfahren („SLM-Verfahren”) oder Laser-Metal-Deposition-Verfahren („LMD-Verfahren”) aufgebauten gleichartigen oder vorzugsweise hochfesten oder höher festen Werkstoff verstärkt ist. Es kann der durch Laserschmelzen aufgebrachte Werkstoff in Form von Rippen oder eines Netzes oder flächig mit über der Fläche unterschiedlicher Dicke aufgebracht bzw. aufgebaut sein. Es kann das Bauelement in einem ersten Herstellschritt netzartig nach dem SLM-Verfahren aufgebaut und in einem zweiten Herstellschritt zu einer geschlossen oder zumindest Flächen-Struktur geformt werden. Vorzugsweise ist der durch Laserschmelzen aufgebaute Werkstoff ein höher fester oder hochfester Stahlwerkstoff oder Titan.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, welches in einem Leichtbau-Werkstoff ausgeführt und an zumindest einer höher belasteten Stelle verstärkt ist. Als ein solches Bauelement kommt insbesondere ein Rad oder ein Radträger oder ein Schwenklager oder ein radführender Lenker oder ein Gussknoten in einem Achsträger oder dgl. in Frage.
Leichtbau war und ist insbesondere auch im Fahrwerksbereich von Kraftfahrzeugen ein hochbrisantes Thema. Andererseits muss an Fahrwerks-Bauteilen eine bestimmte Steifigkeit oder Festigkeit dargestellt werden. Daher werden Bauteile der Fahrzeug-Radaufhängung bzw. des Fahrwerks nicht nur in Leichtmetall, sondern wo erforderlich weiterhin in Stahl hergestellt, und zwar jeweils vorzugsweise durch Gießen oder mit Schmiedetechnologie. Dabei unterliegt die detaillierte Gestaltung aber Zwängen der Fertigungstechnologien, wie Entformbarkeit, Speisung, Formtrennung etc.. Auch eine theoretisch mögliche Hybrid-Bauweise von Fahrwerksbauteilen mit einem Material-Mix (bspw. Stahl-Aluminiumm, Aluminium-Titan) scheitert bislang zumeist an einer sinnvoll durchführbaren Verbindungstechnologie für die verschiedenen Werkstoffe.
Zur Lösung des eben genannten Zielkonflikts zwischen Leichtbau und ausreichender Festigkeit wird vorliegend vorgeschlagen, ein insbesondere aus der Luftfahrtindustrie bekanntes Laserschmelzverfahren zur gezielten Verstärkung eines Leichtbauteiles auf Bauelemente im Fahrwerksbereich von Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, und dabei insbesondere auf eines der oben genannten Bauelemente anzuwenden. Ein solches Bauelement im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Personenkraftwagens, ist somit in einem Leichtbau-Werkstoff ausgeführt und an zumindest einer hoch oder höher belasteten Stelle durch einen insbesondere mit einem Selective-Laser-Melting-Verfahren („SLM-Verfahren”) oder einem LMD-Verfahren (= „Laser Metal Deposition”) aufgebauten gleichartigen oder vorzugsweise höherfesten Werkstoff verstärkt. Zum bekannten „Selective-Laser-Melting-Verfahren”, allgemein und auch hier als SLM-Verfahren abgekürzt, wird beispielshalber auf die DE 10 2009 058 359 A1 verwiesen, während die WO 2006/133034 beispielhaft für die „Laser Metal Deposition” (LMD-Verfahren) genannt wird. Im wesentlichen unterscheiden sich diese beiden Verfahren dadurch, dass beim SLM-Verfahren ein Bauteil im wesentlichen vollständig durch Laserschmelzen von Metallpulver oder dgl. aufgebaut wird, während beim eigentlichen LMD-Verfahren auf eine vorhandene Grundstruktur mittels Laserschmelzen von Metallpulver oder dgl. zusätzliches Material, vorzugsweise aus einem anderen Werkstoff als die Grundstruktur bestehend, gezielt aufgetragen wird. Der Übergang zwischen diesen beiden beispielhaft genannten Verfahren ist jedoch fließend; wesentlich (im Sinne der vorliegenden Erfindung) ist, dass mittels Laser geschmolzenes Material im Hinblick auf eine gewünschte Formgebung gezielt aufgebracht wird und damit ein wie gewünscht verstärktes Bauelement im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs gefertigt wird.
Durch die Selective-Laser-Melting-Technologie oder Laser-Metal-Deposition-Technologie wird erfindungsgemäß eine bedarfsgerechte Skalierung von Fahrwerks-Bauteilen Bauteilen durch Anbringung oder Aufbringung von Verstärkungen ermöglicht. So kann zusätzliches Material zumindest derselben Güte, aber vorzugsweise auch Titan oder Stahl auf zunächst wie üblich gefertigte, d. h. vorzugsweise gegossene oder geschmiedete Bauteile aus einem Leichtmetall-Werkstoff, insbesondere einer Aluminium-Legierung, aufgetragen werden. Es kann aber auch ein vollständiges Bauteil bzw. Bauelement im SLM-Verfahren hergestellt werden, und zwar in Kombination mit der Methode einer Topologie-Optimierung, wobei sog. Gitter/Netz-Bauteile entstehen. Schließlich kann mit dem SLM-Verfahren ein vorteilhaftes Verschweißen von Aluminium (Leichtmetall) und Stahlbauteilen durchgeführt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der durch Laserschmelzen (vorzugsweise SLM oder LMD) aufgebrachte Werkstoff in Form von Rippen oder eines Netzes aufgebaut oder aufgetragen. Dabei kann der durch Laserschmelzen aufgetragene Werkstoff nicht nur quasi nachträglich auf ein zunächst in einem Leichtbau-Werkstoff gefertigtes Bauteil oder Bauelement aufgebracht werden, sondern es kann das Bauelement in einem ersten Herstellschritt netzartig nach dem SLM-Verfahren aufgebaut werden und in einem zweiten Herstellschritt zu einer geschlossen oder zumindest flächenhaften Struktur geformt sein. Letzteres kann beispielsweisen durch Tauchen des durch das SLM-Verfahren quasi in Form eines Skeletts oder Gerüsts dargestellten Bauteils in eine Kunststoffmasse erfolgen, so dass also zunächst quasi die Verstärkung (durch Laserschmelzen) erzeugt wird und daraufhin die geschlossene Bauteilstruktur durch Ausfüllen der Räume zwischen den einzelnen die Verstärkung bildenden beispielsweise Stegen dargestellt wird. Während der soeben genannte Kunststoff ein besonderes Beispiel für einen Leichtbau-Werkstoff ist, bei welchem es sich alternativ üblicherweise um ein Leichtmetall handeln wird, kommt als höherfester Werkstoff, der mittels Laserschmelzens aufgebaut oder aufgebracht wird, neben höherfesten Stählen insbesondere Titan in Frage.
Beispielsweise kann ein Radträger komplett wie weiter oben bereits kurz dargestellt und somit von der üblichen Technologie abweichend hergestellt werden. Demnach kann zunächst quasi ein Skelett dieses Radträgers durch das SLM-Verfahren aufgebaut werden, wobei die Oberfläche dieses Skeletts jedenfalls abschnittsweise nach Art eines Netzes gebildet ist und wobei das Laserschmelzen des höherfesten Werkstoffs unter gleichzeitigem Aufbau des Bauelements, welches selbstverständlich nicht auf einen Radträger beschränkt ist, analog der bekannten Stereolithographie-Technik durchgeführt wird. Anschließend werden die Maschen dieses Netzes, d. h. die Öffnungen zwischen dem so aufgebauten Material mit einem Leichtbau-Werkstoff, beispielsweise einem geeigneten Kunststoff gefüllt. Ein Beispiel für einen solchen Radträger ist in der beigefügten 1 dargestellt, wobei lediglich eine Teilfläche 12 dieses Radträgers 11 als grobmaschiges Netz ausgebildet ist, während der Rest dieses Radträgers 11, nämlich nicht nur dessen eigentliche Grundstruktur, sondern auch Anflansch-Augen und sonstige Aufnahmen 13 für Anbauteile vollständig durch Laserschmelzen von bspw. pulverförmigem Metallgeformt sind. Mit der Bezugsziffer 14 sind die besagten Maschen der netzartigen Teilfläche 12 des Radträgers 11 gekennzeichnet, die mit einem geeigneten Kunststoffmaterial ausgefüllt sind.
Beispielsweise können auf einen in einer Aluminiumlegierung zunächst wie üblich (bspw. durch Schmieden) hergestellten radführenden Lenker beispielsweise in Form eines Netzes Rippen aus einer Titanlegierung durch Laserschmelzen von Metallpulver (bspw. nach dem LMD-Verfahren) aufgebracht werden. Hiermit ist eine signifikante Erhöhung der Verwindungssteifigkeit eines solchen Lenkers erzielbar. Unter dem Begriff eines Netzes ist eine Struktur von mehreren sich unter beliebigen Winkeln kreuzenden Linien zu verstehen, die als Stränge von besagtem höherfestem Material oder Werkstoff beispielsweise auf die Oberfläche eines ansonsten herkömmlich geformten Fahrwerks-Bauelements aufgebracht sein können. Dabei kann ausdrücklich auch nur ein Teil der Gesamt-Oberfläche eines solchen Bauelements mit einem solchen Netz oder nur mit einer oder mehreren geeignet ausgerichteten und beispielsweise parallel zueinander verlaufenden Rippe(n) versehen sein; selbstverständlich insbesondere die mechanisch hochbelasteten Oberflächenabschnitte des Bauelements. In den beigefügten 2a, 2b sind zwei Ansichten eines solchen Lenkers 21 gezeigt, wobei lediglich auf dessen mit der Bezugsziffer 22 gekennzeichnete Teil-Oberfläche hier eine Vielzahl von durch Laserschmelzen eines Metall-Pulvers aufgetragenen dünnen und parallel zueinander verlaufenden Rippen 23 aufgebracht ist.
Als weiteres Beispiel kann ein üblicherweise in Achsträgern vorgesehener, aus Leichtmetall bestehender sog. Guss-Knoten an solchen Stellen, an denen im Rahmen des Gießens dieses im Zusammenbau verschiedene vorgefertigte Profile miteinander verbindenden und somit eine gewünschte Struktur, beispielsweise einen Hinterachsträger ermöglichenden Knotens (beispielsweise wegen Hinterschnitten) keine Versteifungs-Rippen oder dgl. aufgebracht werden können, durch Laserschmelzen (LMD-Verfahren oder SLM-Verfahren) mit solchen Versteifungs-Rippen oder dgl. versehen werden. Hier kann es sogar ausreichend sein, wenn diese Versteifungs-Rippen aus dem gleichen Werkstoff wie der Gussknoten erzeugt werden.
Im übrigen ist es nicht zwingend erforderlich, dass der durch Laserschmelzen aufgebrachte Werkstoff in Form von Rippen oder eines Netzes aufgebaut oder aufgetragen ist. Auch andere Formen sind durch Auftragen von Material durch Laserschmelzen darstellbar. Beispielsweise kann der durch das SLM-Verfahren oder LDM-Verfahren aufgebrachte Werkstoff flächig und vorzugsweise mit über der Fläche unterschiedlicher, an die jeweilige Belastung angepasster Dicke auf ein in üblicher Weise in einem Leichtbau-Werkstoff gefertigtes Bauelement aus dem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs aufgebracht sein.
Als weiteres Beispiel für ein erfindungsgemäß verstärktes Bauelement im Fahrwerksbereich eines Kraftfahrzeugs sei ein Schwenklager (auch als Achsschenkel bezeichnet) genannt, welches in Hybridbauweise geformt ist. Ein erster Bestandteil eines Hybrid-Schwenklaqers kann ein in Leichtmetall gefertigter Radträger sein, an dem im Stand der Technik ein Stahlrohr zur drehbaren Führung dieses Schwenklagers angebracht ist. Diese Verbindung zwischen den beiden Einzelteilen eines solchen oder vergleichbaren Bauelements im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs kann durch Laserschmelzen (SLM-Verfahren oder LDM-Verfahren) stoffschlüssig hergestellt werden.
Unter erfindungsgemäßer Anwendung des Laserschmelzens, insbesondere SLM-Verfahrens oder LDM-Verfahrens wird eine Skalierung von Bauteilen für Fahrzeuge am Rande der Architekturgrenzen durch Aufbringung von Verstärkungen vorzugsweise in höherer Festigkeit ermöglicht, ohne dass hierdurch nennenswert mehr Bauraum beansprucht wird. So kann der bspw. in Aluminium ausgeführte Bauteil-Querschnitt reduziert und gezielt durch Titan oder Stahl ersetzt werden, was bei gleichem Bauraum-Bedarf zu signifikant höherer Steifigkeit und Festigkeit führt. Eine Darstellung von Geometrien, die in den üblichen Technologien wie Guß- oder Schmiedeverfahren nicht dargestellt werden können, wird durch späteres Aufbringen von Rippen, Flächen oder Gitterstrukturen durch Laserschmelzen (SLM-Verfahren, LDM-Verfahren) ermöglicht. Durch den nur örtlichen, effizienten Materialeinsatz ggf. teurer Verstärkungswerkstoffe wie Titan lässt sich ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauelement noch relativ kostengünstig darstellen. Ein Gewichtsvorteil, der sich dadurch einstellt, dass nicht das komplette Bauteil in hochfestem (und schwerem) Stahl gefertigt werden muss, liegt auf der Hand.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009058359 A1 [0003]
WO 2006/133034 [0003]

Claims

Bauelement im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Personenkraftwagens, welches in einem Leichtbau-Werkstoff ausgeführt und an zumindest einer höher belasteten Stelle durch Laserschmelzen, insbesondere einem Selective-Laser-Melting-Verfahren („SLM-Verfahren”) oder Laser-Metal-Deposition-Verfahren („LMD-Verfahren”) aufgebauten gleichartigen oder vorzugsweise hoch festen oder höher festen Werkstoff verstärkt ist.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei der durch Laserschmelzen (SLM-Verfahren oder LDM-Verfahren) aufgebrachte Werkstoff in Form von Rippen oder eines Netzes aufgebaut oder aufgetragen ist.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der durch Laserschmelzen (SLM-Verfahren oder LDM-Verfahren) aufgebrachte Werkstoff flächig mit über der Fläche unterschiedlicher Dicke aufgebracht ist.
Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Bauelement in einem ersten Herstellschritt netzartig nach dem SLM-Verfahren aufgebaut ist und in einem zweiten Herstellschritt zu einer geschlossen oder zumindest Flächen-Struktur geformt ist.
Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der durch Laserschmelzen (SLM-Verfahren oder LDM-Verfahren) aufgebaute Werkstoff ein höher fester oder hochfester Stahlwerkstoff oder Titan ist,
Rad oder Radträger oder Schwenklager oder radführender Lenker oder Gussknoten in einem Achsträger oder dgl. als Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche.