AT402905B - Verfahren zum herstellen von leichten und steifen verbundteilen und nach diesem verfahren hergestellte teile - Google Patents

Description

AT 402 905 B

Die Erfindung handelt von einem Verfahren zum Herstellen von aus einem leichten Formkörper und aus einer diese umgebenden Blechhaut bestehenden Verbundteilen. Besonders im Kraftfahrzeugbau besteht großer Bedarf an solchen Teilen, weil Fahrzeugkörper mehreren einander widersprechenden Anforderungen in besonders hohem Maße entsprechen müssen. s Diese Anforderungen sind: Geringes Gewicht, hohe Steifigkeit, niedere Fertigungskosten und Freiheit der Formgestaltung, die oft Hinterschnitte erfordert. Die Forderung nach hoher Steifigkeit ist zu präzisieren als hohe Biege- Knick- und auch Torsionssteifigkeit sowie hohe Energieaufnahme bei der Verformung im Falle einer Kollision. Dazu kommt für von außen sichtbare Karosserieteile noch die Forderung nach einer metallischen Oberfläche, deren Aussehen sich im lackierten Zustand von dem anschließender konventionel-10 ler Blechteile nicht unterscheidet. Auch schalldämmende Wirkung ist fallweise erwünscht.

Es sind bereits verschiedene Formkörper und deren Herstellungsverfahren bekannt, die jedoch durchwegs nicht alle oben genannten Forderungen in ausreichendem Maße erfüllen und außerdem nur für bestimmte einfache Formen geeignet sind.

Aus der EP 247 239 A1 ist ein Verbundkörper bekannt, der aus einem Kern aus Duroplast oder einem i5 Kunstharz und einer Stahlblechhülle besteht. Zuerst wird letztere durch Tiefziehen aus einer mit einem Speziallack beschichteten Blechplatine hergestellt. Der Lack sichert später den Haftverbund zwischen Hülle und Kern. Dann werden zur Bildung des Kernes die entsprechenden Kunststoffvorprodukte in die Hülle eingelegt und ausgehärtet und eingepreßt. Dieses Verfahren erfordert für die Herstellung der Hülle ein komplettes Ziehwerkzeug und ist trotzdem für die Serienproduktion zu arbeitsaufwendig. Wegen des 20 konventionellen Ziehwerkzeuges sind Hinterschnitte nicht möglich, jedenfalls muß der Kern im plastischen Zustand ins Innere der Hülle eingeformt werden. Das Verfahren ist deshalb für komplexe Formteile nicht geeignet. Außerdem ist die Auswahl des Kernmateriales auf zu massiven Blöcken aushärtbare Kunststoffe beschränkt, die bei größeren Formteilen keine ausreichende Gewichtsersparnis bringen.

Aus der DE-30 11 336 A1 ist ein aus Blech und einem Faserverbundwerkstoff bestehender Verbundkör-25 per bekannt, der durch Verkleben eines vorgefertigten Kernes mit einem vorgefertigten Blech hergestellt wird. Auch auf diesen trifft das oben gesagte zu. Alternativ wird dort vorgeschlagen, Blech und Faserverbundmasse in einem einzigen Preßvorgang in die gewünschte Form zu bringen. Aber auch so sind keine hinterschnittenen Formen herstellbar, weil der Faserverbundwerkstoff erst nach der Verformung aushärtet.

Zwar ist es aus der DE 25 43 970 A1 bekannt, den Rohling einer Turbinenschaufel mit einer 30 Blechverkleidung zu umpressen. Dazu muß aber zuerst die Blechverkleidung vorgeformt, eng an die konvexe Oberfläche eines Rohlings hoher Festigkeit angelegt und mit ihm verschweißt werden. Dann erst wird durch isostatischen Druck die Blechverkleidung auch an die konkaven Oberflächenteile des Rohlings angelegt. Dieses Verfahren ist sehr arbeitsaufwendig und auch sonst nicht dazu geeignet, ebene Blechplatinen mit Rohlingen aus einem Leichtstoff zu verbinden. 35 Aus der Zeitschrift "TOOLING and PRODUCTION", Oktober 1985, Seiten 47 bis 49 ist ein Verfahren zum Verformen von Blechteilen mittels einer Druckkammer mit flexibler Membran bekannt, wobei jedoch auf der der Membran abgekehrten Seite des Werkstückes ein fixes Formwerkzeug verwendet wird. Dieses Verfahren ist unter dem Namen "FLEXFORMING" (vmtl.eingetragenes Warenzeichen der ASEA) bekannt. Mit diesem Verfahren ist die Erzeugung von Hinterschnitten aber nur sehr bedingt möglich, weil das 40 Werkstück ja vom Werkzeug abnehmbar sein muß. Ein so hergestelltes Blechteil könnte dann gemäß der oben gewürdigten EP-OS 247 239 oder der DE-OS 30 11 336 in weiteren Arbeitsschritten mit einem Formkörper ausgefüllt oder verbunden werden.

Die Erfindung verfolgt das Ziel, ein Verfahren zur Herstellung leichter und steifer Formteile auch komplizierter und hinterschnittener Form auf möglichst einfache und billige, auch für die Serienproduktion 45 geeignete Weise zu schaffen.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus den im kennzeichnenden Teil des ersten Anspruches angegebenen Schritten, wobei unter Strukturschaum jegliches Material zu verstehen ist, das Luft oder ein anderes Gas in definierter Verteilung, Blasengröße und ggf auch Blasenform enthält. Aufgrund seiner Zellenstruktur kann auch Holz als (natürlicher) Strukturschaum gelten. Durch das Verfahren werden in der so Presse zwei Arbeitsgänge in einem voll automatisierbaren Schritt vereint: Formen der Blechhaut und Verbinden mit dem Formkörper. Dadurch, daß der Formkörper gleichzeitig beim Ziehen der Blechhaut als Werkzeug dient, das nicht mehr vom Werkstück getrennt werden muß, ist erst die Herstellung komplizierter Formen mit Hinterschnitten möglich und auf die natürlichste Weise gewährleistet, daß beide Teile auch genau zusammenpassen. Durch dieses genaue Zusammenpassen unterstützen Blech und Formkörper 55 einander optimal, sodaß die Anforderungen an die Festigkeit des Bauteiles mit wesentlich geringeren Blechstärken erfüllt werden können. Diese geringeren Blechstärken kommen wieder dem Verfahren selbst zugute, weil dadurch bei der Verformung der Platine die Druckbelastung des Formkörpers geringer ist. 2

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Durch das Verfahren werden noch zusätzliche Vorteile erzielt: Wenn Blechstärke und Druckfestigkeit des Strukturschaumes so aufeinander abgestimmt sind, daß letztere der Funktion als Werkzeug gerade genügt, so tritt bei der Verformung des Bleches gemäß dem Kompressionsmodul des Strukturschaumes eine geringfügige Verdichtung auf, die nach der Verformung zu einer günstigen Vorspannung verhilft. Weiters kann der Verformungsverlauf bei Strukturschäumen unabhängig von deren Werkstoff sehr günstig gestaltet werden, was etwa aus ACTA MECHANICA 89,93-121 (1991) ("The eiliptic-paraboloid failure criterion for cellular solids and brittle foams") hervorgeht. Das ist im Kollisionsfall von besonderer Bedeutung.

Wenn zusätzlich noch vor dem Pressen auf eine oder beide Kontaktfläche ein Kleber aufgebracht wird (Anspruch 2), kann das genaue Zusammenpassen der beiden Teile und die Druckeinwirkung beim Pressen für eine fugenfreie Klebung genutzt werden. Der Nutzen einer fugenfreien Klebung ist ein zweifacher. Zum ersten entstehen keine mit Luft oder Dampf gefüllten Taschen, von denen aus das Verbundteil von innen heraus korrodieren könnte. Zum zweiten wird dadurch eine kraftschlüssige Übertragung von (vor allem) Schubkräften mit maximaler Kontaktfläche hergestellt, die die resultierende Steifigkeit, vor allem die Torsionssteifigkeit, des Verbundteiles weit über die Summe der beiden einzelnen Festigkeiten hinaus steigert.

Die Erfindung verfolgt weiter das Ziel, nach diesem Verfahren hergestellte Verbundkörper vorzuschlagen, deren innenliegende Formkörper aus Werkstoffen bestehen, die nebst ihrer Eignung für das angegebene Verfahren dem Verbundkörper die für den gewichtssparenden Einsatz im Fahrzeugbau erforderlichen Eigenschaften verleihen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird als Kernmaterial ein Polyurethanschaum, und zwar ein Hartschaum oder ein Integralschaum verwendet (Anspruch 3). Durch die dank des erfindungsgemäßen Verfahrens möglichen sehr geringen Blechstärken ist die Komposition eines die für ein Ziehwerkzeug erforderliche Druckfestigkeit und Härte aufweisenden Schaumes jedenfalls möglich.

So beträgt etwa die Druckfestigkeit eines harten Polyurethanschaumes bis 70 N/mm2, was bei einem Preßdruck von 700 Bar ( = 70 N/mm2) wegen der hydrostatischen Druckverteilung in einer Presse mit flexiblem Diaphragma ausreicht. Ähnliche Werte werden mit Polyurethan-Injektionsmassen, auch Strukturschaum genannt, erreicht, bei denen zudem die Festigkeit nach aussen hin zunimmt. Die spezifische Dichte beträgt etwa von 30 kg/m3 aufwärts. Zu Terminologie und Festigkeitswerten wird auf Franck/Biederbick: KUNSTSTOFF-Kompendium (VOGEL-Fachbuch 1990) verwiesen. Weiters wirken derartige Schäume geräuschdämpfend und wärmedämmend.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird als Kernmaterial ein Leichtmetallschaum verwendet (Anspruch 4). Auch mit diesem Werkstoff sind für die Verformung des Bleches ausreichende Druckfestigkeiten und ein günstiger Verformungsverlauf erreichbar (OTSUKA et al: "Structure and Mechanical Properties of Cellular Aluminum"). Ein zusätzlicher Vorteil ist die Warmfestigkeit und Unbrennbarkeit, erstere bei der Verbindung des Verbundteiles mit anderen Karosserieteilen, zweiteres im Falle eines Fahrzeugbrandes.

In konsequenter Weiterbildung kann auch die Platine aus Aluminium bzw einer im Karosseriebau üblichen Aluminiumlegierung bestehen (Anspruch 5). Das ist nicht nur aus elektrochemischen Gründen von Vorteil, sondern verbessert auch die neuerdings geforderte Recyclingfähigkeit von Kraftfahrzeugen.

Wenn besonders hohe Energieabsorbtion gefordert ist, etwa bei Stoßstangen oder exponierten Teilen des Vorder- oder Hinterwagens, ist die Verwendung eines syntaktischen Schaumes aus in eine Aluminiummatrix eingebetteten porösen oder hohlen Keramikkugeln (Anspruch 6) vielversprechend ("Deformation energy absorbtion characteristics of a metal/ceramic cellular solid", DRURY et.al.in der Veröffentlichung Lightweight alloys for aerospace applications, der The minerals, Metals & Materials society).

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:

Fig.1 bis 3: Die Arbeitsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Durchführungs form;

Fig.4: Einen nach dem Verfahren der Fig. 1 bis 3 hergestellten Verbundkörper.

Fig.5: Ein weiteres Beispiel eines nach dem Verfahren hergestellten Verbundkörpers.

In Fig. 1 ist die verwendete hydraulische isostatische Presse durch einen Unterteil 1 und einen Oberteil 2 in angehobener Stellung angedeutet. Im Oberteil 2 ist eine elastische Membran 3 rundum fest eingespannt und ein flüssiges Druckmedium ist über einen Kanal 4 gesteuert zuführbar. In den Unterteil wird nun ein Formkörper 5 eingelegt und dann eine geeignet zugeschnittene Blechplatine 6 daraufgelegt. Sie ist durch die Wirkung der beiden Stempelränder 23 als Blechhalter gegen Verschieben gesichert. Der Formkörper wurde zuerst, je nach Werkstoff, in bekannter Weise in der gewünschten Form hergestellt. Vor dem Einlegen des Bleches kann entweder das Blech oder der Formkörper, oder beide, an der Kontaktfläche mit einem geeigneten Kleber beschichtet werden. 3

Claims (6)

1. AT 402 905 B Sodann, Fig.2, wird der Oberteil 2 abgesenkt, sodaß er mit dem Unterteil 1 eine geschlossene Form bildet, in deren Oberraum 7 durch den Kanal 4 Druckmittel eingepresst wird. Dadurch bewegt sich die Membran auf den als Werkzeug wirkenden Formkörper 5 zu und umschmiegt ihn unter Dehnung, wobei das zwischen Membran 3 und Formkörper 5 eingelegte Blech 6 die Form des Formkörpers annimmt. Wenn der Pressvorgang beendet ist, Fig.3, wird der Oberraum 7 geleert, die Membran zieht sich kraft ihrer Elastizität zusammen und gibt den fertigen Verbundteil 8 frei. Nun wird der Oberteil 2 wieder angehoben und der Verbundteil der Presse entnommen. In Fig 3 ist weiters zu sehen, daß die Blechhaut 9 des Verbundteiles 8 einen Flansch 10 aufweist, der sich bei entsprechendem Zuschnitt der Platine vor dem Einlegen in die Presse von selbst ergibt. Dieser Flansch kann in späteren Arbeitsschritten zum Verbinden mit anderen Blechteilen etwa durch Punktschweißen oder auch durch Verkleben genutzt werden. Der in Fig.4 dargestellte Verbundteil besteht aus dem Formteil 5 und der Blechhülle 6, die den Formteil fest und ohne Zwischenräume umgibt. Aus Gründen der Darstellung ist noch ein Blechlappen 20 ausgeschnitten und zurückgebogen. Die so sichtbar gemachten Teile 21 und/oder 22 der Oberfläche von Formteil 5 und/oder der Blechhülle 6 können mit einem geeigneten Kleber beschichtet sein, der bereits vor dem Einlegen in die Presse aufgetragen wurde. Der in Fig. 5 gezeigte weitere Formkörper 25 ist die Tür eines Kraftfahrzeuges. Sie besteht wieder aus einem Formkörper 26 und einer Blechhülle 27. Der Formkörper 26 ist aber kein Block, sondern er weist Verstärkungsrippen 28 mit dazwischen eingesenkten Feldern 29 auf. Diese Felder 29 werden von erhabenen Teilen des Unterstempels 1 der Presse gebildet und gewährleisten eine gute Abstützung des Formteiles. Auch hier sind wieder umgreifende Ränder 30 vorgesehen, die den Türrahmen bilden. Der Formteil selbst kann aus verschiedenen Werkstoffen bestehen: In einem ersten Ausführungsbeispiel besteht er aus einem Polyurethan-Hartschaum, wobei zum Erzielen der erforderlichen Härte die Rezeptur einen hohen Anteil an Tri-Isozyanaten und einen ausreichenden Überschuß an Isocyanaten vorsehen muß. So ist etwa bei einer Dichte von 30 kg/m3 eine Druckfestigkeit von 87 N/mm2 erreichbar. Die Komponenten werden vermischt und in eine Form eingebracht. Nach einigen Minuten ist der Formkörper fertig für das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem er mit einem Stahlblech von 0,1 mm umpresst wird. In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Polyurethan-Injektionsmasse , beispielsweise "ELA-STOGRAN” (eingetragenes Warenzeichen von BAYER) im Reaktionsspritzguß in eine Form eingebracht. Wegen des geringen Spritzdruckes genügen leichte Formen. Der sich bildende Schaum wird bei geeigneter Auswahl der Mixtur sehr hart und verdichtet sich zur Aussenwand hin. Dadurch ist deren Druckfestigkeit dann für das Umpressen der Platine einer Dicke von 0,2 bis 0,5 mm, je nach Form, ausreichend. In einem dritten Ausführungsbeispie! wird ein Aluminiumschaum verwendet. Er entsteht durch Gießen einer Aluminiumschmelze in die Form und chemisches Aufschäumen mittels Titandihydrid vor der Verfestigung der Schmelze. Durch dessen Dosierung lassen sich Blasendurchmesser von einem bis zu einigen Millimetern erzielen. Dadurch zeigt der Formteil bei Druckbeanspruchung zuerst ein ausgeprägtes elastisches Verhalten, das dem Umpressen zugute kommt, und dann große Verformungswege bei konstantem Formänderungswiderstand, was dem fertigen Verbundkörper im Kollisionsfall zugute kommt. Umpreßt wird der Formkörper etwa mit einem Aluminiumblech einer Stärke von etwa 0,2 bis 0,5 mm. In einem vierten Ausführungsbeispiel besteht der Formkörper aus in eine Aluminiummatrix eingebetteten hohlen Keramikkugeln. Zu deren Herstellung werden hohle Kugeln aus AI2O3 in der Form dicht gepackt, unter Vakuum gesetzt und mit einer Aluminiumlegierung (vorzugsweise 6061 nach internationaler Registernummer) vergossen. Damit wird bei einer Dichte etwa 300 kg/m3 eine Druckfestigkeit des Formkörpers von etwa 40 N/mm2 erreicht. Ein derartiger Formkörper zeichnet sich durch eine besonders füllige Spannung-Verformungskurve, also durch hohe Energieaufnahme bei der Verformung aus. Als Blechumhüllung ist etwa Aluminiumblech bzw eine Aluminiumlegierung mit einer Stärke von mm 0.1 geeignet Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von aus einem leichten Formkörper (5,15) und aus einer diese umgebenden Blechhaut (9) bestehenden Verbundteilen, das der Reihe nach aus folgenden Schritten besteht: a) Der Formkörper (5) wird zuerst aus einem Strukturschaum geformt, b) Der Formkörper wird dann, wie an sich bekannt, als Werkzeug in eine Presse mit flexiblem Gegenwerkzeug (3) eingelegt c) Eine Blechplatine (6) wird zwischen Gegenwerkzeug (3) und Formkörper (5) eingelegt, d) Die Presse umpresst den Formkörper (5) mit der Platine (6), wobei der Formkörper als Werkzeug dient und mit der Platine verbunden wird, e) das fertige Verbundteil (8) wird der Presse entnommen. 4 AT 402 905 B
2. 2. Verfahren zum Herstellen von Verbundteilen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den zu umhüllenden Teil der Oberfläche des Formkörpers (5,15) und/oder auf die dem Formkörper (5,15) zugewandte Seite(n) der Blechplatinen (6,16) vor dem Umpressen ein Kleber aufgetragen wird.
3. 3. Verbundteil, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (5,15) aus Polyurethan-Hartschaum oder Integralschaum besteht.
4. 4. Verbundteil, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (5,15) aus einem Leichtmetallschaum besteht.
5. 5. Verbundteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leichtmetailschaum Aluminiumschaum ist und auch die Blechplatine (6,16) aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung besteht.
6. 6. Verbundteil, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (5,15) aus einem syntaktischen Schaum aus in eine Aluminiummatrix eingebetteten porösen oder hohlen Keramikkugeln besteht. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 5