Verfahren und Fügesystem zur Herstellung eines Strukturbauteils, Computerprogrammprodukt und computerlesbares Speichermedium

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Fügesystem zur Herstellung eines Strukturbauteils sowie ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogrammprodukt gespeichert ist zur Herstellung eines Strukturbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.

Additive Fertigungsverfahren zum schichtweisen Aufbauen von Strukturbauteilen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Zu ihnen zählen beispielsweise das Laser-Sintern, das Laser-Strahlschmelzen oder das 3D-Drucken. Mittels dieser Verfahren können Strukturbauteile generativ aufgebaut werden. Additive Fertigungsverfahren bieten hierbei eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Bauteilgeometrien. Allerdings sind diese Verfahren eher langsam, sodass für die Herstellung eines Strukturbauteils mit sehr viel längeren Fertigungszeiten gerechnet werden muss, als beispielsweise bei einem Gussverfahren oder Blechumformverfahren. Daher sind Additive Fertigungsverfahren bislang nur bei geringen Stückzahlen wirtschaftlich. Zudem weisen additive gefertigte Strukturbauteil beispielsweise anisotrope mechanische Eigenschaften auf, die eine Herausforderung darstellen, wenn es darum geht, dass die Strukturbauteile die an sie gestellten mechanischen Anforderungen erfüllen sollen.

Weiterhin ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2022 105 591.4 ein kombiniertes Verfahren beschrieben, bei dem zur Herstellung eines Strukturbauteils zunächst ein erster Basiskörper schichtweise aufgebaut wird, dann ein Ergänzungsprofil am ersten Basiskörper positioniert und stoffschlüssig an diesem befestigt wird und anschließend ein zweiter Basiskörper zum Weiterbilden des ersten Basiskörpers schichtweise aufgebaut wird. Das Ergänzungsprofil ist entsprechend vorgefertigt, um eine Befestigungsstelle zur Befestigung weiterer Bauteile oder Anbauteile bereitzustellen.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben wie bei der Fertigung eines Strukturbauteils eine hohe Flexibilität hinsichtlich Änderungen am Bauteil bei gleichzeitig geringen Herstellungskosten erzielt werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 , ein Fügesystem nach Patentanspruch 9 ein Computerprogrammprodukt nach Patentanspruch 11 und ein computerlesbares Speichermedium nach Patentanspruch 12. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils angegeben, wobei das Strukturbauteil durch einen Grundkörper gebildet wird. Das Verfahren beinhaltet die Schritte:

- Bereitstellen mindestens eines Einlegeteils als Teil des Grundkörpers, und

- geometrische Erweiterung des mindestens einen Einlegeteils zum Grundkörper durch schichtweises Aufbauen von mindestens einem Restkörperabschnitt an dem mindestens einen Einlegeteil mittels drahtbasiertem Schweißen.

Der Grundkörper definiert im Wesentlichen die geometrischen Abmessungen des Strukturbauteils und bildet die Funktionalität des Strukturbauteils ab. Erfindungsgemäß wird ein hybrider Grundkörper bereitgestellt, der sowohl mindestens ein Einlegeteil als auch mindestens einen schichtweise aufgebauten Restkörperabschnitt beinhaltet bzw. aus diesen besteht. Einlegeteil(e) und Restkörperabschnitt(e) bilden gemeinsam den Grundkörper. Der Restkörperabschnitt ist insbesondere keine Zusatzstruktur, die nachträglich auf einen bereits vorhandenen Grundkörper aufgebracht wird, um die mechanischen Eigenschaften des Grundkörpers zu beeinflussen, sondern der Restkörperabschnitt ist ein essenzieller Bestandteil des Grundkörpers. Der Grundkörper kann ein oder mehr als ein Einlegeteil aufweisen. Ebenso kann der Grundkörper nur einen Restkörperabschnitt oder mehr als eine Restkörperabschnitt aufweisen. Erst in Kombination von Einlegeteil(en) mit Restkörperab- schnitt(en) wird der Grundkörper vervollständigt und das Strukturbauteil erhält seine wesentlichen geometrischen Abmessungen.

Der mindestens eine Restkörperabschnitt wird durch drahtbasiertes Schweißen aufgebaut. Mit diesem Verfahren können besonders kurze Fertigungszeiten erzielt werden. Der mindestens eine Restkörperabschnitt wird an dem Einlegeteil aufgebaut und dabei stoffschlüssig mit demselben verbunden. Es wird also vorzugsweise zunächst das Einlegeteil bereitgestellt und ausgehend von diesem der Restkörperabschnitt angeformt. Hierdurch kann beispielsweise die Notwendigkeit entfallen, eine Basisplatte zum Aufbau des Strukturbauteils bereitzustellen. Das Einhalten der notwendigen Fertigungstoleranzen wird einfacher, wenn das Strukturbauteil ausgehend von einem bereits vorliegenden Einlegeteil mit definierten Abmessungen aufgebaut wird. Weiterhin wird durch die Verwendung von einem oder mehreren Einlegeteilen derjenige Anteil am Grundkörper reduziert, der durch additive Fertigung erzeugt wird, wodurch die Fertigungszeit verringert und die Fertigungskosten gesenkt werden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass durch Kombination eines drahtbasierten additiven Fertigungsverfahrens mit bereits vorgefertigten Einlegeteilen die Vorteile beider Verfahren auf optimale Weise kombiniert werden können. Konkret bedeutet dies, dass die Kostenvorteile von herkömmlichen Fertigungsverfahren wie beispielsweise Gussverfahren oder Blechumformverfahren mit den Vorteilen der additiven Fertigung hinsichtlich hoher Flexibilität bei der Bauteilgestaltung, geringen Kosten und schneller Umsetzbarkeit von Bauteiländerungen kombiniert wird. Mit dem erfindungsgemäßen hybriden Aufbau des Grundkörpers wendet sich die Erfindung von der bisher gängigen Annahme ab, dass Strukturbauteile monolithisch aufgebaut sein sollten, zumindest dann, wenn die Materialart einheitlich sein soll.

Das Einlegeteil kann ein Blechbauteil oder ein massiveres Formbauteil, wie beispielsweise ein Gussbauteil oder ein stranggepresstes Bauteil sein.

Das Einlegeteil weist vorzugsweise eine einfache geometrische Form auf. Vorzugsweise bilden die Einlegeteile in dem Strukturbauteil Bauteilabschnitte, welche eine einfache geometrische Form aufweisen. Unter einfacher geometrischer Form soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine dreidimensionale Form verstanden werden, deren Außenfläche als Regelfläche ausgebildet ist. Bei einer Regelfläche lässt sich durch jeden Punkt der Fläche eine Gerade legen, die ganz in der Fläche enthalten ist. Indem Abschnitte des Strukturbauteils, die eine einfache geometrische Form aufweisen, durch vorgefertigte Einlegeteile gebildet werden, wird erreicht, dass die additive Fertigung auf geometrisch komplexe Bauteilabschnitte beschränkt wird, was Kosten- und Zeitvorteile mit sich bringt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird mindestens ein Einlegeteil mit einer einfachen geometrischen Form in Form eines Voll- oder Hohlprofils bereitgestellt. Das Profil kann hierbei beliebige Querschnitte aufweisen kann. Der Profilkörper hat entlang seiner Längserstreckung vorzugsweise einen gleichbleibenden Querschnitt. Derartige Einlegeteile lassen sich in großen Stückzahlen kostengünstig fertigen, z.B. durch Strangpressverfahren. Zusätzlich wird die additive Fertigung auf geometrisch komplexe Bauteilabschnitte beschränkt wird, was weitere Kosten- und Zeitvorteile mit sich bringt.

In einer Ausgestaltung ist es besonders bevorzugt, wenn der/die Restkörper- abschnitt(e) mittels WAAM oder Laser-DED erzeugt werden. Beim Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) wird ein Metalldraht unter Verwendung eines elektrischen Lichtbogens aufgeschmolzen und z.B. mittels eines Mehrachs-Manipulators in der gewünschten Form schichtweise auf dem Bauteil aufgebracht. Das Laser Direct Energy Deposition-Verfahren (Laser-DED) erfolgt ähnlich, jedoch wird der Draht mittels Laserstrahlung aufgeschmolzen. Beide Verfahren zeichnen sich durch sehr hohe Auftragsgeschwindigkeiten und hohe Flexibilität hinsichtlich der auftragbaren Geometrien aus. Zudem lassen sich mit diesem Verfahren bei Verwendung eines entsprechenden Drahtwerkstoffs Bauteile mit sehr hoher Duktilität aufbauen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass mindestens ein Restkörperabschnitt sowie mindestens ein Einlegeteil gemeinsam einen Lastpfad im Grundkörper abbilden. Eine Einbindung des Einlegeteils in den Lastpfad kann erfolgen, indem beispielsweise das mindestens eine Einlegeteil an zwei, einander gegenüberliegenden Seiten durch Restkörperabschnitte angebunden ist. Es kann auch ein oder mehr Restkörperabschnitt(e) beispielsweise mehrere Profile miteinander in der Art einer Skelettstruktur verbinden. Es können Einlegeteil(e) und Restkörperabschnitt(e) in Richtung der Lastpfaderstreckung vorzugsweise hintereinander angeordnet sein. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht die kostengünstige und schnelle Herstellung von mechanisch hochstabilen Strukturbauteilen.

Ebenso ist es auch möglich, dass ein Lastpfad oder ein Hauptlastpfad nur durch einen oder mehrere Restkörperabschnitt(e) verläuft und die Einlegeteile in diesen Lastpfad nicht eingebunden sind. Bei dem Strukturbauteil handelt es sich beispielsweise um ein Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeugs und vorzugsweise um ein Fahrzeugheck, eine Fahrzeugseitenwand oder eine Fahrzeugfront. Das Strukturbauteil kann beispielsweise ein Fahrwerksbauteil eines Kraftfahrzeugs sein, wie beispielsweise ein Achsträger.

Weiterhin wird ein Fügesystem zum Herstellen eines Strukturbauteils angeben, wobei das Strukturbauteil durch einen Grundkörper gebildet wird. Das Fügesystem beinhaltet eine automatisierte Positioniervorrichtung, die eingerichtet ist zum Positionieren mindestens eines Einlegeteils in einer vorgegebenen Position und eine automatisierte, drahtbasierte Schweißvorrichtung, die eingerichtet ist zum geometrischen Erweitern des mindestens einen Einlegeteils zum Grundkörper durch schichtweises Aufbauen von mindestens einem Restkörperabschnitt an dem mindestens einen Einlegeteil. Das Fügesystem eignet sich insbesondere zur Durchführung des voranstehend beschriebenen Verfahrens. Das Fügesystem erzielt dieselben technischen Wirkungen wie das voranstehend beschriebene Verfahren. Bei der automatisierten Positioniervorrichtung kann es sich beispielsweise um einen programmierbaren Industrieroboter handeln. Die drahtbasierte Schweißvorrichtung kann vorzugsweise an einem Industrieroboter montiert sein und von diesem zum lagenweisen Aufbau der Restkörperabschitte bewegt werden. Es kann ein Steuergerät, z.B. ein Computer, vorgesehen sein, mit dem die Positioniervorrichtung und die Schweißvorrichtung betrieben werden.

Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt angegeben, welches Befehle beinhaltet, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen ein wie voranstehend beschriebenes Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils mit einem wie voranstehend beschriebenen Fügesystem auszuführen Der Computer kann hierzu beispielsweise in einer Wirkverbindung mit einem oder mehreren Industrierobotern und einer WAAM-Schweißvorrichtung stehen und diese zur Durchführung des Verfahrens steuern.

Weiterhin wird ein computerlesbares, vorzugsweise nichtflüchtiges Speichermedium angegeben, auf dem das voranstehend beschriebene Computerprogrammprodukt gespeichert ist.

Das Computerprogrammprodukt kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache und/oder Maschinensprache implementiert sein. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Speichermedium, wie beispielsweise einem Wechsellaufwerk, einer Datendisk oder einem fest verbauten Laufwerk abgespeichert sein. Der Anweisungskode programmiert einen Computer oder andere programmierbare Geräte, wie Z. B. ein Steuergerät derart, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogrammprodukt in einem Netzwerk, wie zum Beispiel einem lokalen Netzwerk oder dem Internet bereitgestellt sein. Das Computerprogrammprodukt kann sowohl mittels Software, als auch mittels Hardware, zum Beispiel in Form spezieller elektronischer Schaltungen, oder in hybrider Bauweise realisiert sein.

Das Computerprogrammprodukt sowie das computerlesbare Speichermedium erzielen dabei dieselben Vorteile wie sie zu dem Verfahren beschrieben wurden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

Figur 1 ein beispielhaftes Strukturbauteil,

Figur 2 einen schematischen Verfahrensablauf zur Herstellung des Strukturbauteils und

Figur 3 ein beispielhaftes Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt.

Figur 1 zeigt ein beispielhaftes Strukturbauteil 1 , das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist. Bei dem Strukturbauteil 1 handelt es sich um einen Vorderachsträger eines Kraftfahrzeugs. Das Strukturbauteil 1 beinhaltet drei Einlegeteile 10, 12 und 14, die in Form von Profilen bereitgestellt werden. An die Einlegeteile 10, 12 und 14 werden mittels drahtbasiertem Schweißen, beispielsweise mittels WAAM oder Laser-DED, zwei Restkörperabschnitte 20, 22 angeformt. Die Restkörperabschnitte 20, 22 werden schichtweise aus einem aufgeschmolzenen Drahtmaterial aufgebaut und hierbei stoffschlüssig mit den Einlegeteilen 10, 12 und 14 verbunden. Die Einlegeteile 10, 12 und 14 und die beiden Restkörperabschnitte 20, 22 bilden gemeinsam den Grundkörper 2 des Strukturbauteils.

Figur 2 zeigt einen beispielhaften Verfahrensablauf zur Herstellung eines Strukturbauteils 1A mit einem beispielhaften Fügesystem 100. Das Strukturbauteil 1A ist beispielsweise ein Karosseriebauteil. Das Fügesystem 100 weist eine automatisierte Positioniervorrichtung 110 in Form eines Industrieroboters auf, sowie eine automatisierte, drahtbasierte Schweißvorrichtung 120 mit einer WAAM- Schweißeinheit 122, die an einem Industrieroboter 124 angeordnet und von diesen verfahrbar ist. Die Positioniervorrichtung 110 und die Schweißvorrichtung 120 stehen in einer Wirkverbindung mit einem Steuergerät 130, das eingerichtet ist, um die Positioniervorrichtung 110 und die Schweißvorrichtung 120 zu steuern. Zum Ausführen der hierzu benötigten Steuerbefehle ist im Steuergerät 130 ein entsprechendes Computerprogrammprodukt 40 installiert.

Zur Durchführung des Verfahrens wird zunächst mindestens ein Einlegeteil 16 von der Positioniervorrichtung 110 bereitgestellt. Anschließend wird mittels der Schweißvorrichtung 120 mindestens ein Restkörperabschnitt 24 an das Einlegeteil 16 angeformt. Hierzu wird ein Drahtmaterial 126 aufgeschmolzen und schichtweise zu dem Restkörperabschnitt 24 aufgebaut, wobei dieser stoffschlüssig mit dem Einlegeteil 16 verbunden wird. Restkörperabschnitt 24 und Einlegeteile 16 bilden gemeinsam einen Grundkörper 2A, der das Strukturbauteil 1A bildet.

In Figur 2 ist nur ein Einlegeteil 16 und ein Restkörperabschnitt 24 dargestellt. Gleichwohl kann mit dem Verfahren auch das in Figur 1 dargestellte Strukturbauteil oder ein beliebiges anderes Strukturbauteil mit einem oder mehr Einlegeteilen und einem oder mehreren Körperabschnitten hergestellt werden

Figur 3 zeigt ein computerlesbares und nichtflüchtiges Speichermedium 30 mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt 40. Das Computerprogrammprodukt 40 umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer denselben veranlassen mit einem geeigneten Fügesystem, wie beispielsweise dem Fügesystem 100 aus Figur 2, das beschriebene Verfahren zur Herstellung des Strukturbauteils auszuführen. Bezugszeichenliste

1 , 1A Strukturbauteil

2, 2A Grundkörper

10, 12, 14, 16 Einlegeteile

20, 22, 24 Restkörperabschnitt

30 computerlesbarer Speichermedium

40 Computerprogrammprodukt

100 Fügesystem

110 Positioniervorrichtung

120 Schweißvorrichtung

122 WAAM Schweißeinheit

124 Industrieroboter

126 Drahtmaterial

130 Steuergerät