DE102006059885A1

DE102006059885A1 - Bauteil, insbesondere für den Kraftfahrzeugbereich

Info

Publication number: DE102006059885A1
Application number: DE102006059885A
Authority: DE
Inventors: Marco Dipl.-Ing. Zornhagen; Georg Bergmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (2), insbesondere für den Kraftfahrzeugbereich, mit einer durch einen Laser zumindest bereichsweise gefügeverändernd bearbeiteten Oberfläche (3). Durch die gefügeverändernde Bearbeitung bildet sich an der Oberfläche (3) des Bauteils (2) eine dreidimensionale Struktur (4), insbesondere Matrixstruktur, aus, mittels welcher die Festigkeit des Bauteils (2) durch Abstützung des Bauteilwerkstoffes in einem durch eine Belastung beanspruchten Bereich erhöht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere für den Kraftfahrzeugbereich, mit einer durch einen Laser zumindest bereichsweise gefügeverändernd bearbeiteten Oberfläche.
Ein Bauteil der genannten Art ist in der Praxis bereits bekannt. Die oberflächennahen Bereiche des Bauteils werden hierbei durch Laserhärten bzw. Laserstrahlhärten bearbeitet bzw. gehärtet. Die Laserstrahlhärtung erfolgt durch die schnelle partielle Temperatureinbringung in die Oberfläche des Bauteils mittels kurzwelliger Laserstrahlung bis auf Austenitisierungstemperatur und dem schnellen Wärmeabfluss in das nicht erwärmte Grundmaterial des Bauteils. Durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit ohne externe Kühlung erfolgt eine Umwandlung des Gefüges zu Martensit. Da Martensit ein sehr hartes Metallgefüge ist, führt diese Gefügeumwandlung zu einer Härtesteigerung der Oberfläche des Bauteils.
Die Bauteile bestehen im Wesentlichen aus härtbaren Stählen, insbesondere Werkzeug- und Schnellarbeitsstählen, un- und niedriglegierten Stählen, hochlegierten Stählen, Stahlguss oder verschiedenen Gusseisen-Werkstoffen, jeweils mit Kohlenstoffanteilen über 0,2%.
Derart gehärtete Bauteile weisen zwar eine große Härte auf, lassen sich jedoch kaum plastisch verformen. Wenn eine Belastungsgrenze dieser Bauteile überschritten wird, brechen die Bauteile auf Grund der vorhandenen hohen Sprödigkeit plötzlich durch.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil mit verbesserten Materialeigenschaften zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Bauteil gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Bauteil vorgesehen, bei welchem die gefügeverändernd bearbeitete Oberfläche als eine mittels des Lasers eingearbeitete dreidimensionale Struktur, insbesondere Matrixstruktur, ausgebildet ist, welche die Festigkeit des Bauteils durch Abstützung des Bauteilwerkstoffes in einem durch eine Belastung beanspruchten Bereich erhöht. Die festigkeitssteigernde Struktur wird dabei derart partiell auf der Oberfläche des Bauteils angeordnet, dass sich günstige Materialeigenschaften einstellen. Die Materialeigenschaften können durch die Struktur flexibel über komplexe Bauteile verändert werden. Durch die Steigerung der Festigkeit wird die Belastbarkeit des Bauteils verbessert, so dass die Wandstärken des Bauteils reduziert werden können, ohne dass eine Zerstörung oder Beschädigung des Bauteils erfolgt. Resultierend hieraus ergibt sich ein geringeres Gewicht der Bauteile bei gleichzeitig geringeren Materialkosten. Die Strukturen werden vorzugsweise mittels eines Festkörperlasers, beispielsweise eines Faserlasers, in die Oberfläche des Bauteils eingebracht. Wahlweise können aber auch andere Laser, beispielsweise CO₂-Laser, zum Einsatz kommen. Außerdem kann durch die eingebrachte Struktur die Bauteileigenfrequenz gezielt beeinflusst werden. Für den Kraftfahrzeugbereich ergibt sich dadurch die Möglichkeit, die Akustik des Fahrzeugs ohne zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise den Einbau von Schwingungsdämpfern oder Dämmmaterial, gezielt zu beeinflussen.
Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Struktur eine veränderbare Form und/oder eine veränderbares Muster aufweist. Hierdurch kann die Festigkeitssteigerung des Bauteiles bzw. des Bauteilmaterials flexibel an die Konstruktion und/oder Funktion des jeweiligen Bauteils angepasst werden.
Die bei einer Belastung des Bauteils üblichen Bruchebenen des Materials werden effektiv durch eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Struktur, nach welcher diese als Netzstruktur ausgebildet ist, abgestützt.
Weitere Möglichkeiten, die Festigkeitssteigerung des Materials variabel an das jeweilige Bauteil bzw. die jeweilige Bauteilfunktion anzupassen, werden dadurch erreicht, dass die Struktur eine veränderbare Dichte aufweist bzw. dass eine Eindringtiefe der Struktur in die Oberfläche des Bauteils veränderbar ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Bauteils wird auch dadurch geschaffen, dass innerhalb einer einzigen Struktur unterschiedliche Formen und/oder Muster und/oder Dichten und/oder Eindringtiefen vorhanden sind. Hierdurch kann die Festigkeitssteigerung besonders variabel an das jeweilige Bauteil angepasst werden. Bei der Auslegung der Struktur mittels geeigneter Berechnungsmethoden, beispielsweise FEM, kann dem Werkstoff bzw. dem Bauteil flexibel über das Volumen die jeweils erforderliche Festigkeit zugeordnet werden. Hieraus ergeben sich neue Freiheitsgrade für die Konstruktion und das Design, die zu leichteren Bauteilen mit günstigeren Festigkeitseigenschaften führen.
Dabei erweist es sich als besonders praxisnah, wenn das Bauteil ein Karosserieblech ist. Mittels der Struktur kann die Knickfestigkeit des Karosseriebleches, welche das Crashverhalten wesentlich beeinflusst, gesteigert bzw. eingestellt werden.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn das Bauteil als eine Profilwelle, insbesondere Rohrwelle, ausgebildet ist. Hierdurch wird sowohl die Torsionsfestigkeit als auch die Beulsteifigkeit im Rohr deutlich gesteigert.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in der einzigen Figur ein als Profilwelle 1 ausgebildetes erfindungsgemäßes Bauteil 2, insbesondere für den Kraftfahrzeugbereich, in einer Seitenansicht. Partielle Bereiche einer Oberfläche 3 der Profiwelle 1 weisen eine mittels eines Laserstrahls eingebrachte dreidimensionale festigkeitssteigernde Struktur 4, insbesondere Lasermatrix, auf. Durch die Laserstrahlung wurde das Material des Bauteils 2 bzw. der Profilwelle 1 an der Oberfläche 3 derart gefügeverändernd bearbeitet, dass sich die als Netzstruktur ausgebildete Struktur 4 ausgebildet hat. Die Steigerung der Festigkeit des Bauteils 2 wird dadurch erreicht, dass mittels der Struktur 4 die bei einer äußeren Belastung üblichen Bruchebenen im Material des Bauteils 2 abgestützt werden. Die Struktur kann über das Bauteil 2 in der Strukturform, der Strukturdichte, sowie der Eindringtiefe variieren, so die Festigkeitssteigerung partiell an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden kann.

1: Profilwelle
2: Bauteil
3: Oberfläche
4: Struktur

Claims

Bauteil (2), insbesondere für den Kraftfahrzeugbereich, mit einer durch einen Laser zumindest bereichsweise gefügeverändernd bearbeiteten Oberfläche (3), dadurch gekennzeichnet, dass die gefügeverändernd bearbeitete Oberfläche (3) als eine mittels des Lasers eingearbeitete dreidimensionale Struktur (4), insbesondere Matrixstruktur, ausgebildet ist, welche die Festigkeit des Bauteils (2) durch Abstützung des Bauteilwerkstoffes in einem durch eine Belastung beanspruchten Bereich erhöht.
Bauteil (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (4) eine veränderbare Form und/oder eine veränderbares Muster aufweist.
Bauteil (2) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (4) als Netzstruktur ausgebildet ist.
Bauteil (2) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (4) eine veränderbare Dichte aufweist.
Bauteil (2) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endringtiefe der Struktur (4) in die Oberfläche (3) des Bauteils (2) veränderbar ist.
Bauteil (2) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer einzigen Struktur (3) unterschiedliche Formen und/oder Muster und/oder Dichten und/oder Eindringtiefen vorhanden sind.
Bauteil (2) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) ein Karosserieblech ist.
Bauteil (2) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) eine Profilwelle (1) ist.