Verfahren und System zum Herstellen eines Strukturbauteils

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein System und ein Computerprogrammprodukt zum Herstellen eines Strukturbauteils. Die Erfindung betrifft ferner ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogrammprodukt gespeichert ist.

Im Stand der Technik sind verschiedene additive Fertigungsverfahren zum schichtweisen Aufbauen von Strukturbauteilen bekannt. Zu ihnen zählen beispielsweise das Laser-Sintern, das Laser-Strahlschmelzen, das 3D-Drucken, oder das Thermotrans- fer-Sintern. Mittels dieser Verfahren können Strukturbauteile jeweils generativ aufgebaut werden. Eine Herausforderung bei gattungsgemäßen Strukturbauteilen ist es, diese stabil mit weiteren Bauteilen zu verbinden oder Anbauteile an den additiv gefertigten Strukturbauteilen zu befestigen. Ursachen hierfür sind unter anderem die mechanischen und beispielsweise die anisotropen mechanischen Eigenschaften der additiv gefertigten Strukturbauteile.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Strukturbauteil mit lokalen Befestigungsbereichen mit einem additiven Fertigungsverfahren herzustellen.

Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 , das System gemäß Anspruch 8, das Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 11 sowie das Speichermedium gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System, dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt, dem erfindungsgemäßen Speichermedium und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird und/oder werden kann.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils vorgeschlagen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- schichtweises Aufbauen eines ersten Basiskörpers,

- Positionieren eines Ergänzungsprofils am ersten Basiskörper,

- stoffschlüssiges Befestigen des Ergänzungsprofils am ersten Basiskörper, und

- schichtweises Aufbauen eines zweiten Basiskörpers zum stoffschlüssigen Weiterbilden des ersten Basiskörpers mit dem daran befestigten Ergänzungsprofil unter stoffschlüssigem Einschluss des Ergänzungsprofils wenigstens teilweise zwischen dem ersten Basiskörper und dem zweiten Basiskörper.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass ein Strukturbauteil mit verbesserten lokalen Befestigungsmöglichkeiten und/oder anderen Funktionseigenschaften geschaffen werden kann, indem der initiale Schichtaufbau zum Herstellen des Strukturbauteils unterbrochen wird und ein bereits vorgefertigtes Ergänzungsprofil verbaut wird. Das heißt, es wird nicht versucht, eine Befestigungs- und/oder Anbaustelle im Schichtverfahren herzustellen, sondern zugunsten eines entsprechend vorgefertigten Ergänzungsprofils darauf zu verzichten. Das Ergänzungsprofil wird anschließend zumindest teilweise stoffschlüssig in das fertige Strukturbauteil eingebunden. Bei dem Ergänzungsbauteil handelt es sich vorzugsweise um ein zum ersten Basiskörper und/oder zum zweiten Basiskörper artgleiches Bauteil bzw. ein Bauteil aus einem artgleichen Material. Werden der ersten Basiskörper und der zweite Basiskörper beispielsweise aus Kunststoff hergestellt, wird vorzugsweise auch ein Ergänzungsprofil aus Kunststoff verwendet. Werden der ersten Basiskörper und der zweite Basiskörper aus Metall hergestellt, wird vorzugsweise ein Ergänzungsprofil aus Metall verwendet. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, unterschiedliche Werkstoffe zu verwenden, also beispielsweise ein Ergänzungsprofil aus Kunststoff, wenn die Basiskörper aus Metall gefertigt werden und andersherum.

Bislang wurde davon ausgegangen, dass jegliche Form eines Funktionsabschnittes im Strukturbauteil im Rahmen des additiven Fertigungsprozesses hergestellt werden kann oder sollte, zumindest dann, wenn die Materialart einheitlich bleibt oder bleiben soll. Ein Unterbrechen des Schichtaufbaus wurde möglichst vermieden. Die vorliegende Erfindung wendet sich hiervon nun mit der Integration des Ergänzungsprofils ab.

Unter dem Ergänzungsprofil kann ein Blechbauteil oder auch ein massiveres Formbauteil mit der gewünschten Funktion im später fertiggestellten Strukturbauteil verstanden werden. Das Ergänzungsprofil weist bevorzugt eine homogene Materialstruktur auf. Das heißt, es wird vorzugweise ein homogenes Ergänzungsprofil verwendet. Das Ergänzungsprofil kann grundsätzlich jede mögliche geometrische Form aufweisen.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, dass wenigstens ein Ergänzungsprofil am ersten und/oder an einem weiteren Basiskörper befestigt wird. Das heißt, am ersten Basiskörper kann wenigstens ein Ergänzungsprofil auf die vorstehend beschriebene Art befestigt werden. Ferner ist es möglich, dass mehrere Ergänzungsprofile an unterschiedlichen Basiskörpern befestigt werden. Das heißt, ein erstes Ergänzungsprofil kann beispielsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Basiskörper stoffschlüssig eingebunden werden, ein zweites Ergänzungsprofil kann zwischen dem zweiten und einem dritten Basiskörper stoffschlüssig eingebunden werden, ein drittes Ergänzungsprofil kann zwischen dem dritten und einem vierten Basiskörper stoffschlüssig eingebunden werden, usw. Die Ergänzungsprofile können hierbei übereinander und/oder untereinander eingebunden werden.

Wie in der Beschreibungseinleitung bereits erwähnt, kann unter dem schichtweisen Aufbauen der Basiskörper ein Aufbauen mittels additiver Fertigung verstanden werden. So kann das Verfahren im Rahmen eines 3D-Drucks, einer generativen Fertigung und/oder einer Rapid-Technologie hergestellt werden. Das Strukturbauteil wird vorzugsweise in Form eines Automobilbauteils hergestellt. Unter dem Positionieren des Ergänzungsprofils am ersten Basiskörper kann ein Anlegen und/oder Auflegen des Ergänzungsprofils am bzw. auf den ersten Basiskörper verstanden werden. Das heißt, das Ergänzungsprofil wird bevorzugt in direkten Kontakt mit dem Basiskörper gebracht. Unter dem stoffschlüssigen Einschluss des Ergänzungsprofils zwischen dem ersten Basiskörper und dem zweiten Basiskörper kann verstanden werden, dass das Ergänzungsprofil mittels Stoffschluss am ersten Basiskörper sowie am zweiten Basiskörper befestigt, insbesondere direkt befestigt, wird und hierbei auch die beiden Basiskörper stoffschlüssig miteinander verbunden werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Verfahren das schichtweise Aufbauen des ersten Basiskörpers und des zweiten Basiskörpers mittels pulverbasiertem Schweißen durchgeführt wird. Durch pulverbasiertes Schweißen kann das Strukturbauteil mit einer hohen Präzision gefertigt werden. Beim pulverbasierten Schweißen kann zum Herstellen des ersten Basiskörpers und des zweiten Basiskörpers Metallpulver aufgeschmolzen werden. Das Verfahren wird in diesem Fall insbesondere zum Herstellen eines Strukturbauteils aus Metall, vorzugsweise vollständig aus Metall, durchgeführt.

Ferner ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das schichtweise Aufbauen des ersten Basiskörpers und des zweiten Basiskörpers mittels drahtbasiertem Schweißen durchgeführt wird. Mit dem drahtbasierten Schweißen können besonders kurze Fertigungszeiten für das Strukturbauteil erreicht werden. Beim drahtbasierten Schweißen kann zum Herstellen des ersten Basiskörpers und des zweiten Basiskörpers ein Zusatzwerkstoff in Form von Draht abgeschmolzen und schichtweise zum ersten und/oder zweiten Basiskörper aufgebaut werden. Zum Durchführen des drahtbasierten Schweißens kann ein Laser, ein Elektronenstrahl oder ein Lichtbogen verwendet werden.

Von besonderem Vorteil kann es sein, wenn bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das drahtbasierte Schweißen mittels WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) durchgeführt wird. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass es selbst bei diesem Verfahren von Vorteil sein kann, das additive Fertigungsverfahren zu unterbrechen, um ein vorbereitetes Ergänzungsprofil zwischen zwei Basiskörpern zu integrieren.

Das Ergänzungsprofil kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren als Befestigungsprofil zum Befestigen von Anbauteilen am Strukturbauteil und/oder zum Befestigen des Strukturbauteils an einem weiteren Strukturbauteil am ersten Basiskörper befestigt werden. So kann das Ergänzungsprofil eine Struktur aufweisen, mit welcher es im fertigen Strukturbauteil beispielsweise als Flansch und/oder Flanschstelle für die Verbindung weiterer Bauteile genutzt werden kann. So kann das Strukturbauteil beispielsweise als Metallbauteil zur Verwendung in einem Fahrzeug, beispielsweise als tragendes Bauteil in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, verwendet werden. Das Verfahren kann so beispielsweise zum Herstellen eines Karosseriebauteils für ein Fahrzeug durchgeführt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass das Ergänzungsprofil bei einem Verfahren mittels einer automatisierten Positionierungseinheit am ersten Basiskörper positioniert wird. Unter der Positionierungseinheit kann beispielsweise ein Roboter oder ein Roboterarm verstanden werden. Dadurch kann das Verfahren besonders schnell und zuverlässig durchgeführt werden.

Wie vorstehend bereits erwähnt, kann es weiterhin von Vorteil sein, wenn das Ergänzungsprofil bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine andere Materialzusammensetzung und/oder eine andere Materialstruktur als der erste Basiskörper und der zweite Basiskörper aufweist. Insbesondere können sich die Materialstrukturen voneinander unterscheiden, während die Materialart die gleiche ist. Damit können am Strukturbauteil lokal auf einfache und zuverlässige Weise die gewünschten Funktionen und/oder Materialeigenschaften hergestellt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Herstellen eines Strukturbauteils vorgeschlagen. Das System weist eine automatisierte Positionierungseinheit und eine automatisierte Aufbaueinheit auf, wobei die Aufbaueinheit zum schichtweisen Aufbauen eines ersten Basiskörpers konfiguriert und ausgestaltet ist, die Positionierungseinheit zum Positionieren eines Ergänzungsprofils am ersten Basiskörper konfiguriert und ausgestaltet ist, die Aufbaueinheit zum stoffschlüssiges Befestigen des Ergänzungsprofils am ersten Basiskörper konfiguriert und ausgestaltet ist, und die Aufbaueinheit zum schichtweisen Aufbauen eines zweiten Basiskörpers zum stoffschlüssigen Weiterbilden des ersten Basiskörpers mit dem daran befestigten Ergänzungsprofils unter stoffschlüssigem Einschluss des Ergänzungsprofils wenigstens teilweise zwischen dem ersten Basiskörper und dem zweiten Basiskörper konfiguriert und ausgestaltet ist. Damit bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Bei einem System gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die Aufbaueinheit zum Aufbauen des ersten Basiskörpers und des zweiten Basiskörpers eine Schweißeinheit zum pulverbasierten Schweißen oder zum drahtbasierten Schweißen aufweist. Das System kann ferner zum Durchführen eines wie vorstehend beschriebenen Verfahrens konfiguriert und ausgestaltet sein.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, mit einem wie vorstehend beschriebenen System das beschriebene Verfahren auszuführen. Außerdem wird ein computerlesbares und vorzugsweise nichtflüchtiges Speichermedium vorgeschlagen, auf dem ein solches Computerprogrammprodukt gespeichert ist. Damit bringen das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt und das erfindungsgemäße Speichermedium ebenfalls die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich.

Das Computerprogrammprodukt kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache und/oder Maschinensprache wie beispielsweise in JAVA, C++, C# und/oder Python implementiert sein. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Speichermedium wie einer Datendisk, einem Wechsellaufwerk, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher, oder einem eingebauten Speicher/Prozessor abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie einen Controller derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogrammprodukt in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden und/oder sein, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann. Das Computerprogrammprodukt kann sowohl mittels einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, das heißt in Hardware oder in beliebig hybrider Form, das heißt mittels Software- Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden und/oder sein.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Es zeigen jeweils schematisch:

Figur 1 ein erfindungsgemäßes System in einem ersten Betriebszustand,

Figur 2 ein erfindungsgemäßes System in einem zweiten Betriebszustand,

Figur 3 ein erfindungsgemäßes System in einem dritten Betriebszustand, und

Figur 4 ein Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt ein System 20 zum Herstellen eines in Fig. 3 gezeigten Strukturbauteils 14. Das System 20 weist hierzu eine automatisierte Positionierungseinheit 15 in Form eines Industrieroboters und eine automatisierte Aufbaueinheit 16, ebenfalls in Form eines Industrieroboters, auf. Die Aufbaueinheit 16 weist eine Schweißeinheit 17 auf. Die Positionierungseinheit 15 und die Aufbaueinheit 16 sind mit einem Controller 19 verbunden, der zum Steuern der Positionierungseinheit 15 und der Aufbaueinheit 16 konfiguriert ist. Zum Ausführen der hierzu nötigen Steuerbefehle ist im Controller 19 ein entsprechendes Computerprogrammprodukt 13 installiert.

Mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 wird anschließend ein WAAM-Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils 14 in Form eines Karosseriebauteils für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Hierzu wird in einem ersten Schritt, der in Fig. 1 gezeigt ist, ein erster Basiskörper 10 mittels der Schweißeinheit 17 der Aufbaueinheit 16 schichtweise aufgebaut. In einem zweiten Schritt, der in Fig. 2 gezeigt ist, greift die Positionierungseinheit 15 ein vorbereitetes Ergänzungsprofil 12 und positioniert dieses am ersten Basiskörper 10. Das Ergänzungsprofil 12 ist ein Metallbauteil und weist damit die gleiche Materialart wie der erste Basiskörper 10 und der zweite Basiskörper 11 auf.

In einem anschließenden dritten Schritt, der in Fig. 3 dargestellt ist, wird mittels der Aufbaueinheit 16 bzw. mittels der Schweißeinheit 17 ein zweiter Basiskörper 11 schichtweise aufgebaut. Hierbei wird das Ergänzungsprofil 12 stoffschlüssig an dem ersten Basiskörper 10 und an dem zweiten Basiskörper 11 befestigt bzw. stoffschlüssig zwischen dem ersten Basiskörper 10 und dem zweiten Basiskörper 11 eingeschlossen.

In dem gezeigten Beispiel weist das Ergänzungsprofil 12 eine andere Materialstruktur als der erste Basiskörper 10 und der zweite Basiskörper 11 auf. Genauer gesagt weist das Ergänzungsprofil eine homogene Materialstruktur oder zumindest eine homogenere Materialstruktur als der erste Basiskörper 10 und der zweite Basiskörper 20 auf. Damit kann das Ergänzungsprofil 12 im fertigen Strukturbauteil 14 als Befestigungsprofil, beispielsweise als Befestigungsflansch, zum Befestigen von Anbauteilen am Strukturbauteil 14 und/oder zum Befestigen des Strukturbauteils 14 an einem weiteren Strukturbauteil 14 dienen.

Fig. 4 zeigt ein computerlesbares und nichtflüchtiges Speichermedium 18 mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt 13. Das Computerprogrammprodukt 13 umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts 13 durch einen Computer, beispielsweise den Controller 19, diesen veranlassen, mit dem dargestellten System 20 das beschriebene Verfahren zum Herstellen des Strukturbauteils 14 auszuführen.

Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. Das heißt, die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. Das schichtweise Aufbauen des ersten Basiskörpers 10 und des zweiten Basiskörpers 11 kann beispielsweise mittels pulverbasiertem Schweißen oder mittels drahtbasiertem Schweißen durchgeführt werden. Ferner können an Stelle einer gleichartigen Materi- alart auch unterschiedliche Materialarten zum Aufbau des Strukturbauteils 14 verwendet werden. So könnten der erste Basiskörper 10 und der zweite Basiskörper 11 beispielsweise schichtweise als Kunststoffbauteil hergestellt und das Ergänzungsprofil 12 trotzdem als Metallbauteil bereitgestellt bzw. zwischen dem ersten Basiskörper 10 und dem zweiten Basiskörper 11 an diesen befestigt werden.

Bezugszeichenliste

10 erster Basiskörper

11 zweiter Basiskörper

12 Ergänzungsprofil

13 Computerprogrammprodukt

14 Strukturbauteil

15 Positionierungseinheit

16 Aufbaueinheit

17 Schweißeinheit

18 Speichermedium

19 Controller

20 System