将金属材料加强件施加于金属材料构件的方法与流程

本发明涉及用于特别地在机动车车身或其子组件的构建中将金属材料加强件施加于一个或多个金属材料构件的方法。

背景技术：

已经提出，借助于“增材制造”技术而在一个或多个金属材料构件的上方施加金属材料加强件。该技术已被获知且使用达一段时间。该技术利用能源(例如激光束)来使金属粉末层熔化，从而逐层地形成具有期望的构造的金属部分。例如，在文献wo2015181772a1中描述且示出了用于借助于“增材制造”技术来生产金属构件的机器。

技术实现要素：

本发明的主要目的是确定用于特别地在机动车车身或其子组件的制造中通过使用“增材制造”技术而将金属加强件施加于一个或多个金属构件的新方法。

特别地，本发明的一个目的是确定生产金属结构(特别地，机动车结构及其子组件)的新方法，这些方法允许在所获得的结构的轻巧性方面和强度方面均有显著的改进。

本发明的另一目的是，利用可容易地适用于机动车的目前的生产线中且因此对于其实施不需要高的成本的方法来实现前述的目标。

本发明的另一目的是特别地优化机动车“白车身”(biw)的制造，从而允许通过应用有限数目的电阻焊点来建造车身。

本发明的又一目的是提供用于生产模制的金属板构件(特别地，机动车构件)的备选的制造技术。

在本描述中且在所附权利要求书中，用语“增材制造”用于意指如下方法：利用能源(例如激光束或等离子束)来选择性地使呈多种大小的金属粉末层或金属线材熔化，从而在构件的上方形成金属“覆层”的叠层。本发明的覆层还可以是多层次的，且包括粗糙基覆层(厚度处于毫米级)以及精细覆层(厚度处于100微米级)和/或超精细覆层(厚度处于零点几微米级乃至更小)两者。

根据第一方面，本发明涉及一种用于特别地在机动车车身或其子组件的装配中在两个金属材料构件之间提供结构接合部的方法，其中，方法包括在所述构件之间执行电阻焊点的步骤，且方法的进一步特征在于，方法包括借助于增材制造技术而在所述电阻焊点的上方施加金属材料“覆层”的附加步骤。

根据该第一方面，本发明的优选的进一步特征在于，借助于增材制造技术来施加覆层的前述步骤包括用于施加粗糙基覆层的第一步骤和用于在基覆层的上方施加精细覆层的第二步骤，精细覆层包括分布的加劲微肋。

更优选地，这些微肋根据不规则的蜂窝图案而以相对较薄的壁形成，壁可具有沿着壁的高度而具有均一的或不同的形状和尺寸的横截面。

本申请人的研究和实验已显示，将以上描述的方法应用于由镀锌钢板金属组成的机动车车身构件可造成由于在增材制造方法期间生成的热而导致的锌外层的局部破坏。为了克服该缺陷，根据本发明的优选的实施例，方法的进一步特征在于，通过增材制造来施加覆层的步骤包括用于同样地利用增材制造技术来局部地施加锌覆盖层的附加步骤。

来源于在增材制造方法期间使用的热的施加的另一可能的缺点可包括形成构件的金属板的强度特性上的降低(由于例如通过先前的淬火过程而获得的微晶结构的改变)。为了克服该可能的缺陷，根据本发明的方法的优选的特征在于，方法还包括通过在覆层施加步骤之后立即在覆层的上方供给冷流体而获得的局部淬火步骤。

由于所有的前述特征，根据本发明的方法允许在具有高强度特性的金属材料构件之间获得结构接合部，而无损于结构的轻巧性。用语“结构接合部”精确地指代如下接合部：其不仅完成使接合部的两个构件保持彼此刚性地连接的任务，而且可本身构成已装配的结构的部分，该部分还被指定“结构”功能，即该部分可显著地促进整个结构承受其在使用期间受到的所有应力的能力。

由于该显著的优点，以上描述的方法能够通过应用与常规的方法中通常使用的电阻焊点相比而更少数目的电阻焊点来特别地允许建造机动车白车身。

由于通过沉积多层次覆层而获得加强件，故本发明还能够实现使用较薄的板。使用较薄的板造成重量上的减轻和过程成本上的降低，因为可在较短的循环时间和较少的过程能量的情况下实现金属板的形成。

根据本发明的另一方面，本发明涉及一种用于生产机动车结构或其子组件的设备，其中，通过使用以上限定的方法在构件之间提供一个或多个接合部而装配所述结构，该设备的特征在于，该设备包括用于使待装配的结构前进直到建造站的输送装置，建造站包括实施多个电阻焊点的机器人和执行通过增材制造而在电阻焊点的上方施加基覆层的前述步骤的一个或多个机器人，所述设备在建造站的下游还包括至少一个完备化站，其包括用于实施在建造站中施加的基覆层的上方施加精细覆层的所述附加步骤的机器人。仍然在该步骤中，可在平面的或非球面(具有未限定的轮廓的曲面)的表面上，且还在远离接头区域的构件上，生产局部加强件(多层次覆层)。这样，有可能在较低的能量成本和较短的循环时间的情况下使用和形成较薄的板，其中，与常规的解决方案相比，厚度甚至减小50%。在该情况下，多层次覆层还必须设计成抵抗由于板本身变薄而导致的变形。

根据另一方面，本发明还涉及一种用于特别地在机动车车身或其子组件的构建中将金属材料加强件施加于金属材料构件的方法。根据该方面，本发明的方法包括借助于增材制造技术而在金属构件的上方施加金属材料加强件的步骤，且方法的进一步特征在于，通过增材制造技术来施加加强件的前述步骤包括用于施加粗糙基覆层的第一步骤和用于施加呈以上已经描述的类型的精细覆层的第二步骤，精细覆层包括分布的加劲微肋。

甚至在该情况下，根据本发明的方法优选地还提供用于局部地施加锌覆盖层的附加步骤和/或通过在覆层施加步骤之后立即在前述覆层的上方施加冷流体的附加局部淬火步骤。

根据该方法的另一实施例，在使构件在模具中经历形成步骤之前，通过使用增材制造技术而在所述构件上施加前述加强件。

根据本发明的方法的所有前述特征为机动车结构的生产上的与目前使用的技术相比的一系列的主要改进开辟了道路。

附图说明

参照附图，根据以下描述，本发明的进一步的特征和优点将变得显而易见，附图仅仅作为非限制性的示例而提供，其中：

图1是在根据本发明的方法的实施例的第一步骤之后的两个金属板元件的焊接接合部的示意性横截面视图，

图2是在根据本发明的方法的第二步骤之后的图1的同一焊接接合部的示意性横截面视图，

图3是在根据本发明的方法中通过增材制造技术而制造的超结构的局部透视图，

图4示出了图3的变型，

图5显示了形成图4的结构的部分的单个室的横截面视图，

图6是海贝壳的透视图，

图7和图8是可在根据本发明的方法中使用的工具的透视图，

图9是使用根据本发明的方法的用于机动车的生产线的布局的示意性平面图，

图10是借助于根据本发明的方法而在金属板构件的上方施加的加强件的示意性横截面视图，

图11、图12显示了形成设有使用根据本发明的方法而获得的加强件的金属板构件的方法的两个步骤，以及

图13-16显示了根据本发明的方法的另一实施例示例。

具体实施方式

在图1中，标号1整体上指示根据本发明的第一实施例的方法的第一步骤之后的两个钢板构件的结构接合部。两个钢板构件2、3具有相应的凸缘2a、3a，凸缘2a、3a通过电阻焊点w而彼此刚性地连接，电阻焊点w通过使用包括两个电极的常规的电阻焊头(未示出)而获得，这些电极从相反的侧部压靠着两个凸缘2a、3a，从而施加压力且同时产生通过这些凸缘的电流流，以使它们的接触区中的金属发生局部熔合。

根据本发明的第一方面，在两个凸缘2a、3a的焊接接合部的上方，通过增材制造技术而施加粗糙基覆层4。

附图中的图7作为示例而显示了用于增材制造的装置5，装置5包括布置在由弹性体材料构成的柔性管7的端部处的头部6，在柔性管7的内部布置有用于添加金属粉末的导管8、用于传输激光束的光导器9以及用于供给锌粉末的导管10。

根据本身已知的技术，装置5通过导管8而供给金属粉末，借助于由光导器9传输的激光束，金属粉末在金属板构件2、3的上方立即熔化，从而逐层地形成具有所需要的构造的粗糙基覆层4。

在另一个实施例中，粉末可由线材替代。在该情况下，提供多种直径(从1毫米到10微米)和不同化学组成的由金属线材构成(或在多材料型式中，由聚合材料构成)的一个或多个线圈，以用于有可能以多个精制层次(从1个层次到n个层次)生产覆层。

根据本发明的方法的该实施例，一旦施加基覆层4，即使用装置5而在基覆层4的上方施加进一步的成覆盖层的精细覆层11，精细覆层11包括分布的加劲微肋。

图3显示了具有多个微肋12的精细覆层结构的第一示例，微肋12限定包括多个室13的大体上不规则的蜂窝图案。在图3的示例中，图案具有二维的构造，因为微肋12具有沿着它们的高度而具有均一的形状和尺寸的横截面。

图4示出了图3的变型，在该变型中，根据在图5中按放大的比例示出的示例，壁12具有沿着高度而具有不同的形状和尺寸的横截面。

本申请人从自然界中存在的呈图6中示出的类型的壳结构得到了设计精细覆盖层11的启示，这些壳结构以结构强度和轻巧性的理想的结合为特征。

由于以上描述的特征，焊接接合部w至少连同粗糙基覆层4，且优选地还连同精细覆层11，而成为“结构”接头，其能够构成对整个组件的结构强度作出显著贡献的部分。

以上描述的方法的可能的缺点(其已由本申请人确认)是，在增材制造步骤期间对金属板结构施加的热可局部地破坏金属板构件2、3可设有的锌外层，且此外可危害板2、3的结构强度的借助于所述构件先前经历过的淬火方法来获得的优点。

为了克服这些缺陷，装置5可包括以上已经提到的导管10，其用于添加锌粉末，同样地利用增材制造技术来将锌粉末施加于构件的上方，以便恢复在涂有层4和/或层11的接合部的上方的锌涂层。此外，还有可能提供呈图8中示出的类型的装置5，例如，装置5安装在操纵机器人14(在图8中仅部分地可见)的腕部上，并且，除了已参照图7而描述的头部6之外，装置5还设有喷嘴15，其用于在构件2、3的上方添加冷流体(例如氮气或氩气)，以便在增材制造步骤中产生的加热之后使构件突然冷却，从而获得金属构件的局部淬火。

与常规的方法相比，根据本发明的方法允许在较少数目的电阻焊点的情况下制造机动车结构(特别地，建造机动车“白车身”)。

例如，参照图9，机动车生产设备可提供生产线16，待装配的结构在生产线16上行进，例如，在呈自动导向类型的运载工具18上输送。沿着生产线16，运载工具18遇到建造站f，建造站f包括呈任何已知的类型的锁定装置(未示出)和一个或多个焊接机器人19，锁定装置用于将构成待焊接的结构的部分锁定在精确的装配位置上，焊接机器人19装备有电阻焊头，以在由运载工具18承载的结构上执行多个电焊点。建造站f还可包括多个机器人20，其承载呈以上参照图7描述的类型的装置5，以便根据以上已描述的手段，借助于增材制造技术来将粗糙的成层的覆层施加于焊接接合部的上方。

在离开建造站f之后，焊接结构转移到完备化站s，在完备化站s中，附加机器人21再次借助于增材制造技术来实施附加的成层的精细覆层的施加。根据以上描述的方法，这些机器人还可执行在焊接接合部的上方的外部锌层的恢复步骤，且实施局部淬火，以便恢复金属板结构的耐受特性。

图10显示了钢板构件22的横截面，成层的粗糙基覆层23和成覆盖层的精细覆层24两者均利用增材制造技术(类似于以上参照图1、图2的焊接接合部而描述的增材制造技术)而施加于钢板构件22上。

如果金属板构件22是有形状的构件，那么可设想的是，在形成金属板元件之后施加成层的覆层23、24，但本发明的特别有意思的实施例是，在施加由基层23和覆盖层24(其优选地具有呈以上参照图3或图4而描述的类型的构造)构成的加强元件之后，实施金属板构件在模具中的形成。

在图11和图12中示出了该实施例的变型。这些图显示了金属板构件22在具有上部模具25和下部模具26的模具中的形成。在图11和图12中示出的情况下，在在模具中形成之前，借助于增材制造技术来将加强元件23施加于金属板22的上方。在施加加强件23之后，通过使两个半模具25、26闭合，因而获得的结构在模具中形成，使得加强件23合并到板22的厚度中。

图13-16显示了根据本发明的方法的生产多层次且多材料的覆层的进一步实施例的后续步骤。

图13显示了如下的第一步骤：在构件22的上方施加第一粗糙金属覆层，从而限定彼此间隔开的加强金属部分23。图14显示了如下的第二步骤：在加强金属部分23之间施加由较轻的材料(例如，选自塑料、轻金属合金和陶瓷材料)构成的支承层27。图15显示了施加另一个层次的精细覆层28的后续步骤，并且，图16显示了施加超精细最终覆层，以在支承层28的上方产生层29。

如根据以上内容显而易见的那样，根据本发明的方法在它的优选实施例中提供了多层次覆层，其中，借助于增材制造，各层次以连续层而产生。层次可均由金属材料构成，或可由不同的材料制成且还包括合成材料或陶瓷材料层次。优选地，另外，从基层次(其可以是粗糙覆层，具有处于毫米级(即在0.1mm与10mm之间)的高度)开始，到逐渐变精细的上层次(其可具有处于微米范围(在1微米与200微米之间)且然后处于零点几微米级(在0.1微米与1微米之间)乃至更小的厚度)，各种层次在高度上具有逐渐变小的尺寸。

如根据以上描述而清楚的那样，根据本发明的方法为机动车的生产过程上的一系列改进(尤其是，在所获得的结构的强度和轻巧性的理想的结合的方面)开辟了道路。而且，如根据已描述的内容显而易见的那样，根据本发明的方法可容易地应用于且适用于目前在使用的生产设备，而没有高的成本。

当然，在不侵犯本发明的原理的情况下，根据仅仅作为示例而描述且示出的内容，实施例和构造的细节可广泛地变化，而不背离本发明的范围。