DE102013219250A1 - Component part, useful in chassis of motor vehicle e.g. passenger car, comprises lightweight material and high-strength material applied on higher loaded location by laser melting and applied in the form of ribs or mesh - Google Patents

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Abstract

The component part comprises a lightweight material and a high-strength material applied on a higher loaded location by laser melting including a selective laser melting process or laser metal deposition process. The material is applied in the form of ribs or mesh (14) using the laser melting process and applied over a surface of the component part with different thickness. The component part is formed in a first manufacturing step after the selective laser melting process, or a closed or a surface structure is formed in a second manufacturing step.

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.The invention relates to a component in the chassis of a motor vehicle, in particular a passenger car, which is executed in a lightweight material and reinforced at least one higher loaded point. As such a component is in particular a wheel or a wheel carrier or a pivot bearing or a wheel-guiding arm or a cast node in an axle or the like. In question.

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.Lightweight construction was and is a highly explosive topic, especially in the chassis area of motor vehicles. On the other hand, suspension components have to be given a certain rigidity or strength. Therefore, components of the vehicle suspension or the chassis are made not only in light metal, but where necessary in steel, preferably each by casting or with forging technology. However, the detailed design is subject to constraints of manufacturing technologies, such as mold release, feeding, mold separation, etc. Even a theoretically possible hybrid construction of chassis components with a material mix (eg., Aluminum-Aluminiumm, aluminum-titanium) fails so far mostly meaningful feasible connection technology for the different materials.

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.To solve the above-mentioned conflict between lightweight and sufficient strength is proposed in the present application, a particular known from the aerospace industry laser melting method for selectively reinforcing a lightweight component on components in the chassis of motor vehicles, especially passenger cars, and in particular to apply one of the above components. Such a component in the chassis of a motor vehicle, in particular passenger car, is thus embodied in a lightweight material and at least one high or higher loaded point by a particular with a selective laser melting method ("SLM method") or LMD Process (= "laser metal deposition") constructed similar or preferably higher-strength material reinforced. The well-known "selective laser melting method", generally and abbreviated here as SLM method, is exemplified on the DE 10 2009 058 359 A1 referenced while the WO 2006/133034 is exemplified for the "laser metal deposition" (LMD method). Essentially, these two methods differ in that in the SLM process, a component is substantially completely built up by laser melting of metal powder or the like, while in the actual LMD process on an existing basic structure by means of laser melting of metal powder or the like. Additional material, preferably made of a different material than the basic structure, is applied selectively. However, the transition between these two exemplified processes is fluid; essential (in the context of the present invention) is that laser-melted material is selectively applied with regard to a desired shape and thus a desired reinforced component in the chassis of a motor vehicle is made.

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.By the selective laser melting technology or laser metal deposition technology according to the invention a needs-based scaling of chassis components components made possible by attachment or application of reinforcements. Thus, additional material of at least the same quality, but preferably also titanium or steel, can be manufactured as initially customary, ie. H. preferably cast or forged components made of a light metal material, in particular an aluminum alloy, are applied. However, it is also possible to produce a complete component or component in the SLM method, in combination with the method of topology optimization, whereby so-called grid / network components are produced. Finally, with the SLM method, an advantageous welding of aluminum (light metal) and steel components can be carried out.

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.According to a preferred embodiment, the material applied by laser melting (preferably SLM or LMD) is constructed or applied in the form of ribs or a net. In this case, the material applied by laser melting material can be applied not only quasi later on a first manufactured in a lightweight material component or component, but it can be constructed in a first manufacturing step net-like the SLM process, the component and in a second manufacturing step to a be formed closed or at least planar structure. The latter can be done, for example, by dipping the component represented by the SLM method in the form of a skeleton or framework into a plastic mass, so that the reinforcement is initially produced (by laser melting) and then the closed component structure is filled by filling the spaces between the individual components the reinforcement forming example webs is shown. While the plastic just mentioned is a particular example of a lightweight material, which will usually be a light metal, as a higher-strength material that is built up or applied by means of laser melting, in particular titanium is considered in addition to higher-strength steels.

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.For example, a wheel carrier completely as already shown above and thus briefly be made deviating from the usual technology. Accordingly, first of all, a skeleton of this wheel carrier can be constructed by the SLM method, wherein the surface of this skeleton is at least partially formed in the manner of a network and wherein the laser melting of the higher-strength material with simultaneous construction of the device, which is of course not limited to a wheel , analogous to the known stereolithography technique is performed. Subsequently, the mesh of this network, ie the openings between the material thus constructed with a lightweight material, such as a suitable plastic filled. An example of such a wheel carrier is attached in the attached 1 represented, wherein only a partial area 12 this wheel carrier 11 is designed as a coarse mesh, while the rest of this wheel carrier 11 , not only its actual basic structure, but also flange eyes and other shots 13 for attachments are completely formed by laser melting of, for example, powdered metal. With the reference number 14 are the said meshes of the net-like partial surface 12 of the wheel carrier 11 characterized, which are filled with a suitable plastic material.

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.For example, ribs made of a titanium alloy can be applied to a wheel-guiding arm, for example in the form of a mesh, by laser melting of metal powder (for example, according to the LMD method) initially produced in an aluminum alloy as usual (for example by forging). This is a significant increase in the torsional rigidity of such a handlebar can be achieved. The term network is to be understood as meaning a structure of several lines intersecting at arbitrary angles, which may be applied as strands of said higher-strength material or material, for example on the surface of an otherwise conventionally shaped chassis component. In this case, expressly only a part of the overall surface of such a component with such a network or only one or more suitably aligned and, for example, mutually parallel rib (s) may be provided; Of course, in particular the mechanically highly stressed surface portions of the device. In the attached 2a . 2 B are two views of such a handlebar 21 shown, with only the reference numeral 22 characterized part surface here a plurality of applied by laser melting of a metal powder thin and mutually parallel ribs 23 is applied.

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.As a further example, a so-called cast iron knot, usually provided in axle beams and consisting of light metal, may be connected at such locations where different prefabricated profiles are joined together in the course of casting and thus a desired structure, for example a rear axle carrier (for example Undercuts) no stiffening ribs or the like. Can be applied by laser melting (LMD method or SLM method) with such stiffening ribs or the like. Be provided. Here it may even be sufficient if these stiffening ribs are produced from the same material as the casting knot.

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.Moreover, it is not absolutely necessary that the material applied by laser melting is constructed or applied in the form of ribs or a net. Other forms can be represented by applying material by laser melting. For example, the material applied by the SLM method or LDM method may be applied over the surface of a chassis of a motor vehicle, preferably over a surface of different thickness adapted to the particular load, in a conventional manner in a lightweight material.

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.As a further example of a device according to the invention reinforced in the chassis area of a motor vehicle, a pivot bearing (also referred to as a steering knuckle) is called, which is formed in hybrid construction. A first component of a hybrid Schwenklaqers may be a manufactured in light metal wheel, to which in the prior art, a steel tube for rotatably guiding this pivot bearing is mounted. This connection between the two individual parts of such or comparable component in the chassis of a motor vehicle can be produced by laser fusion (SLM method or LDM method) cohesively.

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.Under the inventive application of the laser melting, in particular SLM method or LDM method, a scaling of components for vehicles at the edge of the architectural boundaries by applying reinforcements is preferably made possible in higher strength, without this appreciably more space is claimed. Thus, for example, executed in aluminum component cross-section can be reduced and replaced by titanium or steel, which leads to significantly higher rigidity and strength for the same space requirements. A representation of geometries, which can not be represented in the usual technologies such as casting or forging, is made possible by subsequent application of ribs, surfaces or lattice structures by laser melting (SLM method, LDM method). Due to the only local, efficient use of materials possibly more expensive reinforcing materials such as titanium can be a inventively manufactured device still represent relatively inexpensive. A weight advantage, which results from the fact that not the complete component in high-strength (and heavy) steel must be made, is obvious.

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

Claims (6)

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.Component in the chassis of a motor vehicle, in particular passenger car, which is executed in a lightweight material and at least one higher loaded point by laser melting, in particular a selective laser melting method ("SLM method") or laser metal deposition method ("LMD method") constructed similar or preferably high-strength or higher solid material is reinforced. 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.Component according to claim 1, wherein the material applied by laser melting (SLM method or LDM method) is constructed or applied in the form of ribs or a mesh. 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.Component according to claim 1 or 2, wherein the material applied by laser melting (SLM method or LDM method) is applied flat over the surface of different thickness. 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.Component according to one of the preceding claims, wherein the component is constructed in a first manufacturing step reticulated by the SLM method and is formed in a second manufacturing step to a closed or at least surface structure. 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,Component according to one of the preceding claims, wherein the material constructed by laser melting (SLM method or LDM method) is a higher-strength or high-strength steel material or titanium, Rad oder Radträger oder Schwenklager oder radführender Lenker oder Gussknoten in einem Achsträger oder dgl. als Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche.Wheel or wheel carrier or pivot bearing or wheel-guiding arm or cast node in an axle carrier or the like. As a component according to one of the preceding claims.
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