DE102021117969A1

DE102021117969A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus mindestens zwei Materialien, Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens und Bauteil

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Publication number: DE102021117969A1
Application number: DE102021117969.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander Bauch; Maximilian Kluge
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-07-12
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2023-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) aus mindestens zwei Materialien, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer ersten Bauteileinheit (2) mit einem Innenraum (8), der zu einer Fügeseite (6) offen ausgebildet ist, wobei die erste Bauteileinheit (2) ein erstes Material (4) aufweist oder aus diesem besteht, Anordnen eines verfestigbaren zweiten Materials (10) innerhalb des Innenraums (8) und an der Fügeseite (6), und Verfestigen des zweiten Materials (10) zur Ausbildung einer zweiten Bauteileinheit (14) mit einem in den Innenraum (8) hineinragenden Verbindungsabschnitt (16), sodass die erste Bauteileinheit (2) und die zweite Bauteileinheit (14) eine formschlüssige Verbindung miteinander aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus mindestens zwei Materialien, eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens und ein Bauteil.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus mindestens zwei Materialien sind grundsätzlich bekannt. Bauteile aus mindestens zwei Materialien sind unter anderem als Multi-Material-Komponenten bekannt. Mit der additiven Fertigung können derartige Multi-Material-Komponenten schichtweise aufgebaut werden. Der schichtweise Aufbau einer Multi-Material-Komponente erfolgt beispielsweise derart, dass das verwendete Material lokal innerhalb einer Schicht, insbesondere blockweise, und/oder schichtweise variiert wird. Hierfür werden in der Regel Beschichtersysteme verwendet, welche zwei oder mehr Materialien auftragen können. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Beschichtersysteme mit mehreren Beschichtern einzusetzen. Die derartig angeordneten Schichten werden zur stoffschlüssigen Verbindung mit einem energiereichen Strahl beaufschlagt, beispielsweise einem Laserstrahl, um diese zu verfestigen.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Multi-Material-Komponenten besteht darin, einen Grundkörper bereitzustellen, auf dem das additiv herzustellende Bauteil erzeugt wird. Der Grundkörper kann ein von dem Bauteil verschiedenes Material aufweisen. Durch ein Aufschmelzen und einer anschließenden Verfestigung der ersten auf dem Grundkörper angeordneten Schichten wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem additiv erzeugten Bauteil hergestellt.
Multi-Material-Komponenten haben den Nachteil, dass die verwendeten Materialien in der Regel schweißbar sein müssen, um eine im Wesentlichen defektfreie Verbindung zu gewährleisten. Defektfrei kann beispielsweise im Sinne der DIN EN ISO 6520-1 als frei von Unregelmäßigkeiten verstanden werden. Wenn eines der verwendeten Materialien keine oder eine geringe Schweißeignung aufweisen, sind Multi-Material-Komponenten nicht oder lediglich vermindert fertigbar. Ein weiterer Nachteil von Multi-Material-Komponenten besteht beim Fügen von artfremden Materialien, da bei diesen häufig unterschiedliche Herstellungsverfahren erforderlich sind. Beispielsweise werden Metalle und Kunststoffe häufig geschmolzen, Keramiken oftmals gesintert und Kunstharze lichtausgehärtet. Eine Verbindung derartiger Materialien mit einem einzelnen Herstellungsverfahren ist aufwendig oder nicht möglich. Auch die Verbindung von zwei Metallen, deren Schmelztemperaturen weit auseinanderliegen, zu Multi-Material-Komponenten ist schwierig.
Generell führen die im Vorherigen genannten Schwierigkeiten bei der Herstellung von Multi-Material-Komponenten zu Defekten, beispielsweise Rissen, Hohlräumen oder Verzügen, im Bauteil. Darüber hinaus können mikrostrukturelle Inhomogenitäten und Schwachstellen aufgrund schlechter Mischbarkeit und Durchmischung der zwei oder mehr Materialien erfolgen. Eine Möglichkeit zur Reduzierung dieser Nachteile besteht darin, gradierte Materialübergänge vorzusehen, wobei auch diese die im Vorherigen genannten Nachteile nicht vollständig vermeiden und der Herstellungsaufwand hoch ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien besteht darin, diese separat herzustellen und anschließend mit einem Fügeverfahren zu verbinden. Dies kann beispielsweise zur Ausbildung einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung führen. Dieses zusätzliche Fügeverfahren ist jedoch mit zusätzlichen Aufwänden, insbesondere Kosten, verbunden. Das Fügeverfahren kann beispielsweise die Verwendung zusätzlicher Verbindungselemente, wie Nieten oder Schrauben, oder das Vorsehen von am Bauteil angeordneten Verbindungselementen, beispielsweise von Schwalbenschwanz-Verbindungen, umfassen.
Ferner können die separat hergestellten Bauteile aus unterschiedlichen Materialien stoffschlüssig mittels einer Fügeschicht verbunden werden, wobei es bekannt ist, dass nicht alle Materialien mit einer derartigen Fügeschicht verbindbar sind. Die Fügeschicht kann mit einem zusätzlichen Material oder durch Aufschmelzen eines oder beider Verbindungspartner ausgebildet werden. Darüber hinaus können Multi-Material-Komponenten mittels Infiltration hergestellt werden, wobei insbesondere eines der Fügepartner ein poröses Material aufzuweisen hat. Ferner besteht die Möglichkeit, eine formschlüssige Verbindung durch Gießen oder Spritzen zu erreichen, wobei die für einige Bauteile erforderliche Designfreiheit nicht gegeben ist.
Aufgrund der zunehmenden Individualisierung der Produktion ist es eine Anforderung, Bauteile mit einer hohen Gestaltungsfreiheit und aus unterschiedlichen Materialien herzustellen. Ferner ist es eine Anforderung, dass derartige Bauteile mit einer hohen Effizienz herstellbar sind, um die resultierenden Kosten gering zu halten.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus mindestens zwei Materialien, eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens und ein Bauteil bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die ein verbessertes Bauteil aus mindestens zwei Materialien ermöglicht. Zumindest ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die eine alternative Herstellung eines Bauteils aus mindestens zwei Materialien ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren, einer Vorrichtung und einem Bauteil nach den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Aspekte sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus mindestens zwei Materialien, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer ersten Bauteileinheit mit einem Innenraum, der zu einer Fügeseite offen ausgebildet ist, wobei die erste Bauteileinheit ein erstes Material aufweist oder aus diesem besteht, Anordnen eines verfestigbaren zweiten Materials innerhalb des Innenraums und an der Fügeseite, und Verfestigen des zweiten Materials zur Ausbildung einer zweiten Bauteileinheit mit einem in den Innenraum hineinragenden Verbindungsabschnitt, sodass die erste Bauteileinheit und die zweite Bauteileinheit eine formschlüssige Verbindung miteinander aufweisen.
Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass ein Bauteil aus mindestens zwei Materialien mittels einer formschlüssigen Verbindung von zwei Bauteileinheiten mit jeweils unterschiedlichen Materialien vorteilhaft ist, wenn ein zu verfestigendes zweites Material in dem Innenraum der ersten Bauteileinheit angeordnet und dort verfestigt wird. Somit kann ein hochwertiges Bauteil aus zwei Materialien hergestellt werden, wobei die fertigungstechnischen Anforderungen an das erste Material gering sind, da dieses auf unterschiedliche Weisen bereitgestellt werden kann. Beispielsweise ist es nicht zwingend erforderlich, dass das erste Material schweißbar ist.
Ein derartig hergestelltes Bauteil hat den weiteren Vorteil, dass diese im Wesentlichen in einem einzelnen Prozess herstellbar ist und keine anschließenden Fügeschritte erforderlich sind. Ferner weist das Verfahren eine hohe Geometriefreiheit auf, da die Geometrie des herzustellenden Bauteils nicht oder lediglich geringfügig eingeschränkt ist.
Die erste Bauteileinheit kann beispielsweise ein Substrat sein, welches beispielsweise blech-, stangen- oder plattenförmig vorliegt. Darüber hinaus kann der Grundkörper ein Halbzeug oder eine fertig bearbeitete Bauteilkomponente sein. Ferner kann die erste Bauteileinheit eine Baugruppe sein.
Die erste Bauteileinheit weist den zu der Fügeseite offen ausgebildeten Innenraum auf. Der Innenraum weist insbesondere mindestens eine offene Seite auf, nämlich die Seite, die der Fügeseite zugewandt ist. Der Innenraum kann beispielsweise eine Vertiefung auf der Fügeseite der ersten Bauteileinheit sein. Darüber hinaus kann der Innenraum eine Kavität sein. Der Innenraum ist mindestens von zwei Seiten geschlossen ausgebildet. Die erste Bauteileinheit kann beispielsweise vollständig oder teilweise additiv hergestellt werden, sodass der Innenraum ebenfalls additiv erzeugt werden kann. Alternativ oder ergänzend kann der Innenraum auch eingebracht werden, beispielsweise mit einem Laser.
Das verfestigbare zweite Material wird innerhalb des Innenraums und an der Fügeseite angeordnet. Der Innenraum kann mit dem zweiten Material beispielsweise vollständig ausgefüllt werden. Alternativ kann der Innenraum auch lediglich teilweise mit dem zweiten Material aufgefüllt und anschließend verfestigt werden, sodass anschließend ein weiteres Auffüllen und Verfestigen stattfinden kann. Unter einem Anordnen ist grundsätzlich jeder Schritt zu verstehen, mit dem das zweite Material innerhalb des Innenraums und an der Fügeseite anordenbar ist. Dies kann beispielsweise ein schichtweises Auftragen, ein Aufspritzen, ein Gießen oder ähnliches betreffen.
Das zweite Material ist verfestigbar. Dies bedeutet insbesondere, dass das zweite Material während des Anordnens keine starre Ausbildung aufweist. Beispielsweise kann das verfestigbare zweite Material als Pulver, flüssig, als Schüttgut oder gasförmig vorliegen.
Das Anordnen des zweiten Materials innerhalb des Innenraums bedeutet, dass sich das zweite Material nach dem Anordnen innerhalb des Innenraums befindet. Der Innenraum kann vollständig mit dem zweiten Material gefüllt sein. Alternativ ist der Innenraum nicht vollständig mit dem zweiten Material befüllt.
Das Anordnen des zweiten Materials innerhalb des Innenraums und an der Fügeseite kann gleichzeitig oder sequenziell erfolgen. Beispielsweise kann zunächst das zweite Material in dem Innenraum angeordnet, gegebenenfalls dort verfestigt, gegebenenfalls weiteres verfestigbares zweites Material in dem Innenraum angeordnet und verfestigt werden und anschließend das zweite Material an der Fügeseite angeordnet werden.
Das Verfestigen des zweiten Materials erfolgt insbesondere derart, dass das erste Material der ersten Bauteileinheit im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt, insbesondere nicht aufgeschmolzen wird. Durch das Verfestigen, vorzugsweise durch ein sequenzielles Anordnen und Verfestigen des zweiten Materials wird die zweite Bauteileinheit ausgebildet. Durch das Anordnen des verfestigbaren zweiten Materials innerhalb des Innenraums wird durch das Verfestigen innerhalb des Innenraums ein Verbindungsabschnitt der zweiten Bauteileinheit ausgebildet.
Dieser Verbindungsabschnitt resultiert in einer formschlüssigen Verbindung der ersten Bauteileinheit und der zweiten Bauteileinheit. Die formschlüssige Verbindung zwischen der ersten Bauteileinheit und der zweiten Bauteileinheit wird in vorteilhafter Weise durch eine Vielzahl an Innenräumen und einer Vielzahl an Verbindungsabschnitten ausgebildet, wobei insbesondere ein Schrumpfungseffekt bei dem Verfestigen des zweiten Materials ausnutzbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst das Verfahren den Schritt: Herstellen der ersten Bauteileinheit zur Bereitstellung der ersten Bauteileinheit, wobei das Herstellen der ersten Bauteileinheit mit einem additiven Fertigungsverfahren erfolgt. Das Herstellen der ersten Bauteileinheit mit einem additiven Fertigungsverfahren hat den Vorteil, dass der Innenraum präzise herstellbar ist. Darüber hinaus besteht bei der Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens eine hohe Geometriefreiheit für die Ausbildung des Innenraums. Vorteilhaft ist die Möglichkeit, Hinterschneidungen auszubilden, mit denen die formschlüssige Verbindung eine höhere Festigkeit aufweist und/oder deren Verbindung in einer höheren Anzahl an Raumrichtungen ausgebildet wird.
Es ist insbesondere bevorzugt, dass die zweite Bauteileinheit auf einer der ersten Bauteileinheit abgewandten Oberseite einen, zwei oder mehr Innenräume aufweist, um eine dritte Bauteileinheit mit den im Vorherigen genannten Schritten des Anordnens und des Verfestigens zu erzeugen.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das zweite Material schichtweise angeordnet und/oder verfestigt wird. Eine solche Herstellung kann insbesondere mit einem pulverbettbasierten Verfahren durchgeführt werden, sodass hier die verschiedenen Vorteile eines solchen Verfahrens genutzt werden können.
Eine bevorzugte Fortbildung des Verfahrens zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die erste Bauteileinheit zwei oder mehrere, insbesondere eine Vielzahl, an Innenräumen aufweist. Durch eine derartige Vielzahl an Innenräumen kann sich die zweite Bauteileinheit an der ersten Bauteileinheit verkanten.
Es ist ferner bevorzugt, dass die Innenräume eine Innenraumerstreckung zwischen 50 µm bis 500 µm, insbesondere zwischen 200 µm bis 300 µm, aufweisen. Die Innenraumerstreckung ist insbesondere eine Erstreckung des Innenraums in horizontaler Richtung bei der bestimmungsgemäßen Anwendung des Verfahrens. Ferner kann die Innenraumerstreckung beispielsweise flächenparallel zu einer Oberfläche der ersten Bauteileinheit an der Fügeseite sein. Derartige Innenraumerstreckungen haben den Vorteil, dass beispielsweise bei einem pulverbasierten Verfahren zum Anordnen des verfestigbaren zweiten Materials das Pulver in die Innenräume gelangt.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die Innenräume eine Innenraumtiefe zwischen 20 µm bis 80 µm, insbesondere zwischen 30 µm und 80 µm, aufweisen. Die Innenraumtiefe ist vorzugsweise orthogonal zur Innenraumerstreckung ausgerichtet und ferner vorzugsweise in bestimmungsgemäßer Anwendung des Verfahrens vertikal ausgerichtet. Eine derartige Innenraumtiefe entspricht der Dicke mehrerer übereinander angeordneter Schichten bei dem schichtweisen Anordnen des zweiten Materials, sodass dieses in vorteilhafter Weise anordenbar und verfestigbar ist.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das zweite Material verschieden von dem ersten Material ausgebildet ist. Das erste und/oder das zweite Material kann beziehungsweise können beispielsweise ein keramischer Werkstoff, ein Polymer, ein Metall, eine Legierung und/oder ein Verbundmaterial sein. Insbesondere die erste Bauteileinheit kann auch aus zwei oder mehr Materialien, insbesondere den im Vorherigen genannten Materialien, bestehen oder diese umfassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass das zweite Material eine niedrigere Schmelztemperatur als das erste Material aufweist. Es ist insbesondere bevorzugt, dass, in Grad Celsius angegeben, das zweite Material eine um mehr als 10 %, mehr als 20 %, mehr als 30 %, mehr als 40 % oder mehr als 50 % geringere Schmelztemperatur als das erste Material aufweist. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das erste Material nicht schweißfähig ist. Unter einem nicht schweißfähigem Material sind auch solche Materialien zu verstehen, die lediglich bedingt schweißfähig sind. Das erste Material kann darüber hinaus ein Refraktärmetall sein.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Verfahrens sieht vor, dass das zweite Material pulverförmig oder flüssig in dem Innenraum und an der Fügeseite angeordnet wird. Ein pulverförmiges oder flüssiges zweites Material hat den Vorteil, dass dieses prozesssicher in dem Innenraum anordenbar ist. Darüber hinaus kann das zweite Material als Granulat, als Kunststoffplättchen, als Stäbchen oder gasförmig vorliegen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfestigen ein selektives Belichten des zweiten Materials mit einem energiereichen Strahl umfasst oder ist. Der energiereiche Strahl kann beispielsweise ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl oder ein Röntgenstrahl sein. Darüber hinaus kann der energiereiche Strahl auch ein wärmeentziehender Strahl sein, der umgangssprachlich gesprochen Kälte überträgt. Dies kann beispielsweise zur Verfestigung eines Polymers verwendet werden. Es ist ferner bevorzugt, dass der energiereiche Strahl zum Aufschmelzen, zum Sintern und/oder zum Aushärten des zweiten Materials ausgebildet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass einzelne Schichten des zweiten Materials mit dem energiereichen Strahl belichtet werden. Das Belichten der einzelnen Schichten des zweiten Materials ist insbesondere zur Verfestigung des zweiten Materials vorgesehen. Das Belichten von einzelnen Schichten mit dem energiereichen Strahl kann beispielsweise mit einem pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren erfolgen.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Bauteileinheit ein, zwei oder mehrere zusätzliche Materialien aufweist. Die zweite Bauteileinheit kann beispielsweise zusätzlich zu dem zweiten Material ein drittes und/oder ein viertes Material aufweisen.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens zeichnet sich ferner dadurch aus, dass der Innenraum eine strukturierte Oberfläche aufweist. Unter einer strukturierten Oberfläche ist insbesondere eine Oberfläche zu verstehen, die im Wesentlichen nicht glatt ausgebildet ist. Dem Fachmann ist bekannt, dass jegliche Oberfläche eine physikalisch definierte Oberflächenrauheit hat, jedoch ist im vorliegenden technischen Zusammenhang eine nicht glatte Oberfläche als solche zu verstehen, die eine bewusste Strukturierung aufweist, die nicht ausschließlich durch ein Fertigungsverfahren, beispielsweise ein additives Fertigungsverfahren, Fräsen, Erodieren oder Schleifen hervorgerufen ist.
Dass der Innenraum eine strukturierte Oberfläche aufweist, bedeutet insbesondere, dass der Innenraum abschnittsweise eine strukturierte Oberfläche aufweist. Beispielsweise können insbesondere die Oberflächen des Innenraums strukturiert ausgebildet werden, die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bauteils mit einer Scherbelastung beaufschlagt werden. Oberflächen an den im Folgenden noch näher erläuterten Hinterschneidungen können beispielsweise unstrukturiert ausgebildet werden.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die strukturierte Oberfläche eine Oberflächenrauheit aufweist. Die Oberflächenrauheit kann beispielsweise vordefiniert oder undefiniert sein. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die strukturierte Oberfläche gewellt und/oder gezahnt ausgebildet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Innenraum eine, zwei oder mehrere Hinterschneidungen aufweist. Unter einer Hinterschneidung wird insbesondere eine Geometrie mit einer Hinterschneidungsoberfläche verstanden, wobei die Hinterschneidungsoberfläche eine Flächennormale aufweist, die zur Fügeseite und/oder zu einem Zugang zu dem Innenraum abgewandt ausgerichtet ist.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der Innenraum einen sich zur Fügeseite hin verjüngenden Längsquerschnitt aufweist. Der Längsquerschnitt ist insbesondere in einer Ebene zu bestimmen, die im Wesentlichen orthogonal zu einer Oberfläche der Fügeseite ausgerichtet ist. Der Innenraum kann beispielsweise eine Innenraumachse aufweisen, wobei die Innenraumachse in der im Vorherigen genannten Ebene liegt. Der Längsquerschnitt kann beispielsweise in einer Ebene bestimmt werden, die durch die Richtung der Innenraumerstreckung und durch die Richtung der Innenraumtiefe aufgespannt wird.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass der Längsquerschnitt zumindest abschnittsweise trapezförmig, fassförmig und/oder rund ausgebildet ist. Ein trapezförmiger Längsquerschnitt kann beispielsweise im Sinne eines gleichschenkeligen Trapezes ausgebildet sein. Ein fassförmiger Längsquerschnitt weist vorzugsweise konkav ausgebildete Innenwände auf.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass der trapezförmige, fassförmige und/oder rund ausgebildete Längsquerschnitt bei der Herstellung der ersten Bauteileinheit ausgebildet wird.
Eine weitere vorteilhafte Fortbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Innenraum zwei oder mehr zur Fügeseite offene Zugänge aufweist. Ein derartig ausgebildeter Innenraum weist unter anderem eine Hinterschneidung auf, sodass eine vorteilhafte formschlüssige Verbindung zwischen der ersten Bauteileinheit und der zweiten Bauteileinheit ausbildbar ist. Es ist insbesondere bevorzugt, dass bei der Herstellung der ersten Bauteileinheit der Innenraum mit zwei oder mehr zur Fügeseite offenen Zugängen ausgebildet wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die erste Bauteileinheit zwei oder mehr Innenräume aufweist, und das zweite Material derart angeordnet und verfestigt wird, dass in die zwei oder mehr Innenräume jeweils ein Verbindungsabschnitt der zweiten Bauteileinheit hineinragt. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die erste Bauteileinheit eine Vielzahl an Innenräumen, beispielsweise mehr als zehn Innenräume je Quadratzentimeter, aufweist. Durch das Vorsehen einer Vielzahl von Innenräumen wird eine vorteilhafte Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Bauteileinheit durch ein Verkanten gewährleistet.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante der Vorrichtung umfasst eine Anordnungseinheit zum Anordnen eines verfestigbaren zweiten Materials innerhalb eines Innenraums und an einer Fügeseite einer ersten Bauteileinheit, und eine Verfestigungseinheit zum Verfestigen des zweiten Materials zur Ausbildung einer zweiten Bauteileinheit mit einem in den Innenraum hineinragenden Verbindungsabschnitt, sodass die erste Bauteileinheit und die zweite Bauteileinheit eine formschlüssige Verbindung miteinander aufweisen.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung eingerichtet ist, eine erste Bauteileinheit mit einem Innenraum, der zu einer Fügeseite offen ausgebildet ist, bereitzustellen. Hierfür kann die Vorrichtung beispielsweise einen öffenbaren Innenraum aufweisen, in dem die erste Bauteileinheit hineinbewegbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Bauteil, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten, umfassend eine erste Bauteileinheit mit einem Innenraum, der zu einer Fügeseite offen ausgebildet ist, wobei die erste Bauteileinheit ein erstes Material aufweist oder aus diesem besteht, und eine zweite Bauteileinheit mit einem in den Innenraum hineinragenden Verbindungsabschnitt, sodass die erste Bauteileinheit und die zweite Bauteileinheit formschlüssig miteinander verbunden sind, wobei die zweite Bauteileinheit ein zweites Material aufweist oder aus diesem besteht. Das erste Material ist insbesondere verschieden von dem zweiten Material.
Die zwei Materialien des Bauteils sind durch den geometrischen Aufbau der ersten Bauteileinheit und der zweiten Bauteileinheit in vorteilhafterweise miteinander verbindbar, nämlich durch die Ausbildung eines Formschlusses. Infolgedessen wird die Verbindungsfestigkeit verbessert. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die erste Bauteileinheit und die zweite Bauteileinheit im Wesentlichen keine stoffschlüssige Verbindung miteinander aufweisen. Im Wesentlichen keine stoffschlüssige Verbindung bedeutet insbesondere, dass keine großflächigen stoffschlüssigen Verbindungen zwischen der ersten Bauteileinheit und der zweiten Bauteileinheit vorliegen. Der in den Innenraum hineinragende Verbindungsabschnitt der zweiten Bauteileinheit ist mit den weiteren Abschnitten der zweiten Bauteileinheit integral verbunden. Integral verbunden bedeutet stoffschlüssig verbunden.
Es ist bevorzugt, dass die zweite Bauteileinheit mit dem verfestigten zweiten Material schichtweise aufgebaut ist. Ferner ist es bevorzugt, dass der Innenraum eine Innenraumerstreckung zwischen 50 µm bis 500 µm, insbesondere zwischen 200 µm bis 300 µm, aufweist. Ferner kann der Innenraum eine Innenraumtiefe zwischen 20 µm bis 80 µm, insbesondere zwischen 30 µm und 80 µm, aufweisen.
Das zweite Material ist vorzugsweise verschieden von dem ersten Material ausgebildet. Darüber hinaus kann das zweite Material eine niedrigere Schmelztemperatur als das erste Material aufweisen. In dem Innenraum kann darüber hinaus nicht verfestigtes zweites Material vorliegen, beispielsweise pulverförmig oder flüssig.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der Innenraum eine strukturierte Oberfläche aufweist. Ferner kann der Innenraum eine, zwei oder mehrere Hinterschneidungen aufweisen. Es ist ferner bevorzugt, dass der Innenraum zwei oder mehr zur Fügeseite offene Zugänge aufweist. Des Weiteren kann die erste Bauteileinheit zwei oder mehr, vorzugsweise eine Vielzahl, an Innenräumen aufweisen.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Bauteils zeichnet sich dadurch aus, dass das zweite Material Metall, Kunststoff und/oder Keramik ist oder umfasst. Darüber hinaus kann auch das erste Material Metall, Kunststoff und/oder Keramik sein.
Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der weiteren Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die zuvor erfolgte Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen des Verfahrens verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:

1: eine schematische, zweidimensionale Darstellung eines beispielhaften Aufbaus zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils aus mindestens zwei Materialien;
2: eine schematische zweidimensionale Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Bauteils;
3a, b, c: schematische, zweidimensionale Darstellungen von beispielhaften Innenräumen;
4a, b, c: weitere schematische, zweidimensionale Darstellungen von beispielhaften Innenräumen;
5a, b, c, d: weitere schematische, zweidimensionale Darstellungen von beispielhaften Innenräumen;
6a, b, c: schematische, zweidimensionale Ansichten von beispielhaften, strukturierte Oberflächen aufweisenden Innenräumen; und
7: eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrens.

In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche beziehungsweise -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt einen beispielhaften Aufbau zur Durchführung des Verfahrens. Hierfür ist eine Vorrichtung 100 vorgesehen, die zum Emittieren eines energiereichen Strahls 102 ausgebildet ist. Eine erste Bauteileinheit 2 mit einem Innenraum 8 wurde bereitgestellt. Der Innenraum 8 ist zu einer Fügeseite 6 offen ausgebildet, wobei die erste Bauteileinheit 2 ein erstes Material 4 aufweist oder aus diesem besteht.
Die Fügeseite 6 ist im Wesentlichen horizontal und nach oben hin ausgerichtet. Der Innenraum 8 weist einen Zugang 9 auf, durch den ein zweites Material 10 in dem Innenraum 8 angeordnet werden kann. Der Innenraum 8 erstreckt sich mit einer horizontal ausgerichteten Innenraumerstreckung 18 und einer vertikal ausgerichteten Innenraumtiefe 20. Die Innenraumerstreckung 18 kann beispielsweise 250 µm betragen. Die Innenraumtiefe kann beispielsweise 50 µm betragen.
Das zweite Material 10 ist einerseits innerhalb des Innenraums 8 angeordnet und ferner an, insbesondere auf, der Fügeseite 6. Das zweite Material 10 ist vorliegend als Schicht 24 aufgetragen worden. Das angeordnete zweite Material 10 kann mit dem energiereichen Strahl 102, beispielsweise einem Laserstrahl, verfestigt werden, sodass eine in 2 gezeigte zweite Bauteileinheit 14 mit einem in den Innenraum 8 hineinragenden Verbindungsabschnitt 16 ausgebildet wird.
In 2 ist ein Bauteil, das aus mindestens zwei Materialien gefertigt ist, gezeigt. Die erste Bauteileinheit 2 unterscheidet sich in der 2 von der in der 1 gezeigten ersten Bauteileinheit 2 dadurch, dass die Geometrie des Innenraums 8` andersartig ausgebildet ist. Der in 1 gezeigte Innenraum 8 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Längsquerschnitt auf. Der in 2 gezeigte Innenraum 8' weist einen umgedreht T-förmigen Längsquerschnitt auf. Dadurch werden an zwei Positionen Hinterschneidungen 22 ausgebildet, die eine weiter verbesserte formschlüssige Verbindung der ersten Bauteileinheit 2 mit der zweiten Bauteileinheit 14 ermöglichen. Insbesondere resultieren die in 2 gezeigten Hinterschneidungen 22 darin, dass auch in vertikaler Richtung eine formschlüssige Verbindung ausgebildet wird.
In den 3a, 3b, 3c sind unterschiedliche Längsquerschnitte der Innenräume 8 gezeigt. In 3a ist der auch in 1 gezeigte zylinderförmige Innenraum dargestellt. In 3b ist ein Innenraum 8 mit zwei zur Fügeseite offenen Zugängen 9, 9` gezeigt, sodass unter anderem die Hinterschneidung 22 ausgebildet wird und eine vorteilhafte formschlüssige Verbindung ausbildbar ist.
In 3c ist ein Innenraum mit einem Längsquerschnitt gezeigt, der parallelogrammförmig ausgebildet ist. Ein derart ausgebildeter Innenraum kann für spezifische Belastungssituationen des Bauteils 1 vorteilhaft sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass ein Bauteil 1 zwei oder mehrere der in 3c gezeigten Innenräume 8 aufweist, wobei zumindest einer der Innenräume 8 an einer Vertikalen gespiegelt ist, sodass eine weitere vorteilhafte formschlüssige Verbindung durch Verkanten ausgebildet wird.
In 4a ist ein trapezförmig ausgebildeter Innenraum 8 gezeigt. 4b und 4c zeigen jeweils fassförmige Innenraumräume. In 5a ist ein umgedreht T-förmiger Innenraum 8 gezeigt. Der in 5b gezeigte Innenraum 8 weist einen rechteckigen Abschnitt und einen trapezförmigen Abschnitt auf. In 5c ist ein abschnittsweise kreisförmiger Längsquerschnitt eines Innenraums 8 gezeigt. In 5d ist ein Längsquerschnitt eines Innenraums 8 gezeigt, der einen trapezförmigen Abschnitt und einen quadratischen Abschnitt aufweist.
In 6a ist ein Innenraum 8 mit einer strukturierten Oberfläche gezeigt. Die strukturierte Oberfläche ist gewellt ausgebildet. Die strukturierte Oberfläche des in 6b gezeigten Innenraums 8 weist ebenfalls eine gewellt ausgebildete strukturierte Oberfläche auf, wobei diese unregelmäßig ausgebildet ist. In 6c ist eine strukturierte Oberfläche gezeigt, die gezahnt ausgebildet ist. Derartige strukturierte Oberflächen verbessern die formschlüssige Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Bauteileinheit 2, 14.
In 7 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus mindestens zwei Materialien schematisch dargestellt. In Schritt 200 wird eine erste Bauteileinheit 2 mit einem Innenraum 8 bereitgestellt, wobei der Innenraum 8 zu einer Fügeseite 6 offen ausgebildet ist, wobei die erste Bauteileinheit 2 ein erstes Material 4 aufweist oder aus diesem besteht.
Das Bereitstellen der ersten Bauteileinheit 2 kann beispielsweise den Transport eines vorgefertigten Substrats umfassen. Alternativ kann das Bereitstellen der ersten Bauteileinheit 2 auch das Herstellen der ersten Bauteileinheit 2 sein, insbesondere mit einem additiven Verfahren, wobei dieses bevorzugt ist, da mit diesem die Innenräume 8 spezifisch und mit den gewünschten Geometrien, insbesondere mit Hinterschneidungen 22, herstellbar sind.
In Schritt 202 wird ein verfestigbares zweites Material 10 innerhalb des Innenraums 8 und an der Fügeseite 6 angeordnet. Der Innenraum 8 ist nicht zwingenderweise vollständig mit dem zweiten Material 10 zu befüllen, wobei jedoch auch das vollständige Befüllen möglich ist. Ferner wird das zweite Material 10 an der Fügeseite 6 angeordnet.
In Schritt 204 wird das zweite Material zur Ausbildung der zweiten Bauteileinheit 14 verfestigt. Das in dem Innenraum 8 angeordnete zweite Material 10 wird zu einem Verbindungsabschnitt 16 verfestigt, der eine formschlüssige Verbindung zwischen der ersten Bauteileinheit 2 und der zweiten Bauteileinheit 14 ausbildet. Die Schritte 202 und 204 können auch alternierend durchgeführt werden, insbesondere zur Anordnung und Verfestigung des zweiten Materials 10 innerhalb des Innenraums 8.
Das im Vorherigen beschriebene Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass mit diesem Multi-Material-Komponenten herstellbar sind. Solche als Multi-Material-Komponenten ausgebildete Bauteile können insbesondere aus solchen Materialien bestehen oder diese umfassen, die mit konventionellen Verfahren, insbesondere solchen zur Ausbildung eines Stoffschlusses, nicht oder lediglich eingeschränkt verbindbar sind. Dies betrifft beispielsweise solche Materialien, die nicht schweißbar sind. Ferner gibt es Materialpaarungen, die aufgrund physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften nicht miteinander verbindbar sind. Diese Schwierigkeiten werden mit dem im Vorherigen beschriebenen Verfahren überwunden, da die Verbindbarkeit der Materialien im Wesentlichen unabhängig von physikalischen oder chemischen Eigenschaften ist.
Aufgrund dessen können nun Bauteile bereitgestellt werden, die eine hohe Geometriefreiheit aufweisen und darüber hinaus in Bezug auf ihre Materialien spezifisch an den vorgesehenen Anwendungsfall angepasst sind. Infolgedessen können insgesamt bessere Bauteile bzw. Bauteilgruppen hergestellt werden und dies mit einem vergleichsweise geringen Aufwand, da in der Regel keine weiteren Fügeschritte oder zusätzlichen Verbindungselemente erforderlich sind.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: erste Bauteileinheit
4: erstes Material
6: Fügeseite
8, 8': Innenraum
9: Zugang
10: zweites Material
12: verfestigtes zweites Material
14: zweite Bauteileinheit
16: Verbindungsabschnitt
18: Innenraumerstreckung
20: Innenraumtiefe
22: Hinterschneidung
24: Schicht
100: Vorrichtung
102: energiereicher Strahl

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) aus mindestens zwei Materialien, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer ersten Bauteileinheit (2) mit einem Innenraum (8), der zu einer Fügeseite (6) offen ausgebildet ist, wobei die erste Bauteileinheit (2) ein erstes Material (4) aufweist oder aus diesem besteht, - Anordnen eines verfestigbaren zweiten Materials (10) innerhalb des Innenraums (8) und an der Fügeseite (6), und - Verfestigen des zweiten Materials (10) zur Ausbildung einer zweiten Bauteileinheit (14) mit einem in den Innenraum (8) hineinragenden Verbindungsabschnitt (16), sodass die erste Bauteileinheit (2) und die zweite Bauteileinheit (14) eine formschlüssige Verbindung miteinander aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite Material (10) schichtweise angeordnet und/oder verfestigt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - die erste Bauteileinheit (2) zwei oder mehrere, insbesondere eine Vielzahl, an Innenräumen (8) aufweist, und - vorzugsweise die Innenräume (8) eine Innenraumerstreckung (18) zwischen 50 µm bis 500 µm, insbesondere zwischen 200 µm bis 300 µm, aufweisen, und/oder - vorzugsweise die Innenräume (8) eine Innenraumtiefe (20) zwischen 20 µm bis 80 µm, insbesondere zwischen 30 µm und 80 µm, aufweisen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Material (10) verschieden von dem erstem Material (4) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Material (10) eine niedrigere Schmelztemperatur als das erste Material (4) aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Material (10) pulverförmig oder flüssig in dem Innenraum (8) und an der Fügeseite (6) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - das Verfestigen ein selektives Belichten des zweiten Materials (10) mit einem energiereichen Strahl (102) umfasst oder ist, und - vorzugsweise der energiereiche Strahl (102) zum Aufschmelzen, zum Sintern und/oder zum Aushärten des zweiten Materials (10) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei einzelne Schichten des zweiten Materials (10) mit dem energiereichen Strahl (102) belichtet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - der Innenraum (8) eine strukturierte Oberfläche aufweist, - vorzugsweise die strukturierte Oberfläche eine Oberflächenflächenrauheit aufweist, und/oder - die strukturierte Oberfläche gewellt und/oder gezahnt ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Innenraum (8) eine, zwei oder mehrere Hinterschneidungen aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - der Innenraum (8) einen sich zur Fügeseite (6) hin verjüngenden Längsquerschnitt aufweist, und - vorzugsweise der Längsquerschnitt zumindest abschnittsweise trapezförmig, fassförmig und/oder rund ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Innenraum (8) zwei oder mehr zur Fügeseite (6) offene Zugänge (9) aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Bauteileinheit (2) zwei oder mehr Innenräume (8) aufweist, und - das zweite Material (10) derart angeordnet und verfestigt wird, dass in die zwei oder mehr Innenräume (8) jeweils ein Verbindungsabschnitt (16) der zweiten Bauteileinheit (14) hineinragt.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche 1-13.
Bauteil (1), insbesondere hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1-13, umfassend - eine erste Bauteileinheit (2) mit einem Innenraum (8), der zu einer Fügeseite (6) offen ausgebildet ist, wobei die erste Bauteileinheit (2) ein erstes Material (4) aufweist oder aus diesem besteht, und - eine zweite Bauteileinheit (14) mit einem in den Innenraum (8) hineinragenden Verbindungsabschnitt (16), sodass die erste Bauteileinheit (2) und die zweite Bauteileinheit (14) formschlüssig miteinander verbunden sind, wobei die zweite Bauteileinheit (14) ein zweites Material (10) aufweist oder aus diesem besteht.