CN107530757A

CN107530757A - 用于工具的激光烧结模具表面

Info

Publication number: CN107530757A
Application number: CN201680023613.4A
Authority: CN
Inventors: 马克·安托尼·法比斯舍克
Original assignee: Magna International Inc
Current assignee: Magna International Inc
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2018-01-02
Also published as: DE112016001842T5; WO2016170516A1; US20180141098A1; CA2983078A1; CA2983078C; US10981208B2

Abstract

一种成型系统，其包括第一模具、第二模具和冷却系统。在第一模具表面和第二模具表面的相对部分上形成有烧结材料以形成相对较低导热模具区域。第一模具和第二模具具有对置的相对较高导热表面以形成相对较高导热模具区域。冷却系统设置成与相对较高导热表面成导热关系。第一模具表面和第二模具表面的相对部分上的烧结材料配合成位于接纳在模具腔中的工件的相反两侧。工件的与烧结材料直接接触的部分相比于工件的与相对较高导热表面直接接触的部分以较慢的冷却速率被冷却。

Description

用于工具的激光烧结模具表面

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年4月23日提交的美国临时申请No.62/151,614的优先权，上述申请的全部内容通过参引并入本文。

技术领域

本专利申请涉及用于生产车身组件的热成型系统。

背景技术

车辆制造商力求提供更坚固、更轻便且成本更低的车辆。例如，车辆制造商尽了极大的努力以将诸如铝板、先进的高强度钢及超高强度钢的非传统材料用于部分车身。尽管这些材料相对而言会既坚固又轻便，但是购买、成型和/或组装这些材料通常很昂贵

已提出的一种解决方案包括使用经热处理的钢镶合板构件来形成车身。在一些应用中，钢镶合板构件是以常规的成型工艺成型的，并在随后经受热处理操作。这种两级处理存在的不利之处在于：额外的操作可能明显增加了成本和时间。

作为对采用不连续热处理操作的工艺的替代方案，已知的是诸如硼钢的某些材料能够在热成型模具中同时成型和淬火。在这方面，预热的板坯通常可以被引入热成型模具中，成型为期望的形状，并且继成型操作之后在所述模具中淬火，从而制造热处理部件。这种已知的用于同时执行热成型步骤和淬火步骤的热成型模具通常采用以常规方式形成的水冷通道(用于使冷却水循环流过热成型模具)。

本专利申请提供了对热成型系统和热成型操作的改进。

发明内容

本专利申请的一方面提供了一种成型系统，该成型系统包括：第一模具，该第一模具具有第一模具本体和第一模具表面；第二模具，该第二模具具有第二模具本体和第二模具表面；以及冷却系统，该冷却系统与第一模具和第二模具操作性地相关联。第一模具表面和第二模具表面构造为在其间配合形成模具腔，以在该模具腔中接纳工件。在第一模具表面和第二模具表面的相对部分上形成有烧结材料以形成相对较低导热模具区域。第一模具和第二模具具有对置的相对较高导热表面以形成相对较高导热模具区域。冷却系统设置成与第一模具的相对较高导热表面和第二模具的相对较高导热表面成导热关系。第一模具的相对较高导热表面和第二模具的相对较高导热表面配合成位于接纳在模具腔中的工件的相反两侧，并且第一模具表面和第二模具表面的相对部分上的烧结材料配合成位于接纳在模具腔中的工件的相反两侧。工件的与烧结材料直接接触的部分相比于工件的与相对较高导热表面直接接触的部分以较慢的冷却速率被冷却。

本专利申请的另一方面提供了一种成型系统，该成型系统包括：第一模具，该第一模具具有第一模具本体和第一模具表面；第二模具，该第二模具具有第二模具本体和第二模具表面；以及冷却系统，该冷却系统与第一模具和第二模具操作性地相关联。第一模具表面和第二模具表面构造为在其间配合形成模具腔，以在该模具腔中接纳工件。在第一模具表面和第二模具表面的相对部分上利用增材制造过程形成有绝热材料以形成相对较低导热模具区域。第一模具和第二模具具有对置的相对较高导热表面以形成相对较高导热模具区域。冷却系统设置成与第一模具的相对较高导热表面和第二模具的相对较高导热表面成导热关系。第一模具的相对较高导热表面和第二模具的相对较高导热表面配合成位于接纳在模具腔中的工件的相反两侧，并且形成在第一模具表面和第二模具表面的相对部分上的绝热材料配合成位于接纳在模具腔中的工件的相反两侧。工件的与绝热材料直接接触的部分相比于工件的与相对较高导热表面直接接触的部分以较慢的冷却速率被冷却。

本专利申请的又一方面提供了一种用于形成车身构件的方法。该方法包括：使工件在模具系统中成型以形成车身构件；以及在模具系统中对车身构件进行冷却，其中，车身构件的与绝热模具区域直接接触的部分相比于车身构件的与冷却模具区域直接接触的部分以较慢的冷却速率被冷却。模具系统具有绝热模具区域和冷却模具区域。绝热模具区域包括对置的包括绝热材料的相对较低导热表面。绝热材料通过增材制造过程形成在模具系统的第一模具和第二模具上。

通过考虑以下描述及所附权利要求并参照附图，本专利申请的这些及其他方面、以及相关结构元件的操作方法与功能、各部分组合以及制造的经济性将变得更加明显，所有这些均构成本说明书的一部分，其中，相同的附图标记表示各个图中的对应部件。在本专利申请的一个实施方式中，本文所示的结构部件是按比例绘制的。然而，应当明确地理解的是，附图仅用于说明和描述的目的，而并不意在作为对本专利申请的限制。还应当理解的是，本文公开的一个实施方式的特征可以用在本文公开的其他实施方式中。如说明书和权利要求中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式的“一”，“一个”和“该”包括多个指示对象。

附图说明

图1是根据本专利申请的实施方式的热成型系统的示意图；

图2是根据本专利申请的实施方式的热成型系统的另一示意图，其中，为了清楚起见未示出热成型系统的一些部分；

图2A是根据本专利申请的实施方式的模具本体的示意图，该模具本体具有热结合至模具本体的绝热材料；

图3A示出了如通过常规的热成型工艺成型的具有基本上均匀抗拉强度的示例性B柱的俯视图；

图3B示出了根据本专利申请的实施方式的通过热成型系统成型并且具有显著不同抗拉强度的两个区域的示例性B柱的俯视图；以及

图4是用于使用根据本专利申请的实施方式的热成型系统来形成车身构件的方法的流程图。

具体实施方式

图1和图2示出了热成型系统10，该热成型系统10用于生产车身组件或车身构件。参照图1和图2，热成型系统10包括第一模具12、第二模具14以及冷却系统38，该冷却系统38与第一模具123和第二模具14操作性地相关联。

在示例性实施方式中，第一模具12被示出为下模具。在另一实施方式中，第一模具12可以是上模具。第一模具12具有第一模具本体18和第一模具表面20。在一个实施方式中，第一模具本体18可以由诸如工具钢——特别是由伊利诺伊州罗林梅多斯市的Bohler-Uddeholm公司出售的或者是市售的H-11或H-13——的导热材料形成。在一个实施方式中，第一模具表面20可以包括复杂的成型模具表面。第一模具本体18还可以在其至少一部分中包括多个冷却通道22。在一个实施方式中，冷却通道22可以形成在第一模具本体18的部分FP(例如，长度为FL₁)中。

在示例性实施方式中，第二模具14被示出为上模具。在另一实施方式中，第二模具14可以是下模具。在一个实施方式中，第二模具14可以在其至少一部分中包括第二模具本体24、第二模具表面26和多个冷却通道28，第二模具本体24可以由诸如或市售的H-11或H-13的工具钢形成。在一个实施方式中，冷却通道28可以形成在第二模具本体24的部分SP(例如，长度为SL₁)中。在一个实施方式中，第二模具表面26可以包括复杂的成型模具表面。

如本文所使用的，术语“模具表面”指的是模具的外表面的使热成型部件成型的部分。此外，本说明书中使用的术语“复杂的模具表面”是指具有三维轮廓形状的模具表面。

热成型模具装置12和14可以安装在冲压机34中并且可以联接至冷却系统38。

在一个实施方式中，冲压机34可以构造成将第一模具12和第二模具14在模具作用方向上闭合，以使接纳在第一模具12与第二模具14之间的工件30变形，进而形成热成型部件36并且可选地对该热成型部件36进行修边。在一个实施方式中，冲压机34可以构造成保持模具12和模具14处于闭合关系一预定时间量，以允许热成型构件36被冷却至期望的温度。

冷却系统38可以包括冷却流体的源。在一个实施方式中，冷却流体可以包括水、气体或其他流体介质。由冷却系统38提供的冷却流体可以连续地循环流过冷却通道22和冷却通道28，以分别对模具12和模具14进行冷却。在一个实施方式中，冷却系统38可以包括蓄存器/冷却器以及流体泵。可以理解的是，循环的冷却流体对模具12和模具14进行冷却，而模具12和模具14对热成型部件36进行淬火和冷却。

在一个实施方式中，冷却通道22、28可以通过诸如深钻孔的技术形成并且该冷却通道22、28为延伸穿过相应模具本体的直通道。在一个实施方式中，冷却通道22、28是通过对冷却通道进行深钻孔而穿过相应模具本体的一侧或两侧来形成的。

在一个实施方式中，每个冷却通道22均可以相对于模具表面20偏离第一预定距离，并且沿着冷却通道22的长度该距离可以是一致的。类似地，每个冷却通道28均可以相对于模具表面26偏离第二预定距离，该第二预定距离可以不同于第一预定距离，并且沿着冷却通道28的长度该距离可以是一致的。在另一实施方式中，第二预定距离可以与第一预定距离相同。

第一模具表面20和第二模具表面26构造为在第一模具表面20与第二模具表面26之间配合形成模具腔39，以便将工件30接纳在模具腔39中。在一个实施方式中，模具腔39构造成具有与工件在热成型操作/过程之后的最终形状相对应的形状。

在一个实施方式中，工件30可以是可以由诸如硼钢的可热处理钢形成的坯件。在另一实施方式中，工件30可以由诸如1500P或1500的可硬化钢、硼钢或任何合适的热冲压压制硬化材料构成的板冲压而成。在一个实施方式中，工件30特别地可以比如说例如通过额外的切削过程或额外的冷成型过程来预成形以用于生产所需形状的热成型产品。在一个实施方式中，额外的切削过程或额外的冷成型过程可以是可选的。在一个实施方式中，工件30可以包括与热成型构件36的两个区域120和122相对应的两个区域120和122。

在一个实施方式中，热成型构件36是车身构件或车身组件。在一个实施方式中，由图1和图2的系统形成或生产的车身部件可以包括用于车辆的B柱或B立柱。当然，其他类型的构件可以以类似的方式生产，并且仅出于说明的目的以及为了便于更好地理解本专利申请的各实施方式而提供了B立柱的示例。

在一个实施方式中，第一模具表面20包括相对较高导热表面20a和相对较低导热表面20b。在一个实施方式中，第二模具表面26包括相对较高导热表面26a和相对较低导热表面26b。例如，对置的相对较高导热表面20a和26a的长度尺寸可以分别为FL₁和SL₁，并且对置的相对较低导热表面20b和26b的长度尺寸可以分别为FL₂和SL₂。在示例性实施方式中，相对较高导热表面的长度尺寸大于相对较低导热表面的长度尺寸。然而，在另一实施方式中，长度尺寸可以根据所要成型的热成型构件进行变化。

在一个实施方式中，相对较高导热表面20a和26a的导热率可以为约24W/m·K。在另一实施方式中，相对较高导热表面20a和26a的导热率可以为约25W/m·K。在又一实施方式中，相对较高导热表面20a和26a的导热率可以在约18W/m·K至约25W/m·K的范围内。相对较高导热表面20a和26a构造成与冷却系统38成导热关系。在一个实施方式中，对置的相对较高导热表面20a和26a可以形成相对较高导热模具区域。在一个实施方式中，相对较高导热模具区域也可以被称为冷却模具区域。

在一个实施方式中，循环流过形成在第一模具本体18的部分FP中的冷却通道22的冷却流体构造成对第一模具本体18的部分FP以及相对较高导热表面20a进行冷却，并且循环流过形成在第二模具本体24的部分SP中的冷却通道28的冷却流体构造成对第二模具本体24的部分SP以及相对较高导热表面26a进行冷却。该过程进而对热成型构件36的与相对较高导热表面20a和26a相接触的部分进行淬火和冷却。如从下面的论述中将清楚的是，相对较高导热表面20a和26a配合成位于构件36的第二区域122的相反两侧。因而，循环流过冷却通道22和冷却通道28的冷却流体构造成对构件36的第二区域122进行冷却和淬火。

在一个实施方式中，可以在第一模具表面20和第二模具表面26的相对部分上烧结材料以形成相对较低导热模具区域。在另一实施方式中，可以使用增材制造过程(如下面详细描述的)在第一模具表面20和第二模具表面26的相对部分上形成或沉积材料以形成相对较低导热模具区域。在一个实施方式中，对置的相对较低导热表面20b和26b可以形成相对较低导热模具区域。在一个实施方式中，相对较低导热模具区域也可以被称为绝热模具区域。

在一个实施方式中，相对较低导热表面20b和相对较低导热表面26b可以分别包括绝热材料27和绝热材料29。在一个实施方式中，绝热材料可以包括非常低的导热率材料。在一个实施方式中，相对较低导热表面20b和26b的导热率可以小于5W/m·K。在另一实施方式中，相对较低导热表面20b和26b的导热率可以小于1W/m·K。在又一实施方式中，相对较低导热表面20b和26b的导热率可以在约0.1W/m·K至约5W/m·K的范围内。在又一实施方式中，相对较低导热表面20b和26b的导热率可以在约2W/m·K至约10W/m·K的范围内。在一个实施方式中，绝热材料可以具有高的耐高温/耐热性。在一个实施方式中，绝热材料可以被配置成限制在热成型构件36的第一区域120中硬化。在一个实施方式中，绝热材料可以包括金属基合金材料。在一个实施方式中，绝热材料可以包括导热率在约7W/m·K至约8W/m·K的范围内的低导热性钛合金材料。在另一实施方式中，绝热材料可以包括导热率在约0.9W/m·K至约3W/m·K的范围内的玻璃纤维增强复合材料。在又一实施方式中，绝热材料可以包括导热率为约3W/m·K的先进的陶瓷材料。例如，在一个实施方式中，先进的陶瓷材料可以包括Nano-ZrO₂。在一个实施方式中，绝热材料可以被配置成容易地(热)结合至相应的模具本体。在一个实施方式中，绝热材料可以被配置成具有高耐磨性和耐高温范围。在一个实施方式中，绝热材料可以具有800℃的耐温性(或耐熔融性)。

在一个实施方式中，绝热材料可以被配置成具有断裂韧性(即，承受/抵抗断裂)。在一个实施方式中，绝热材料的断裂韧性可以在约3MPa·m^1/2至约65MPa·m^1/2的范围内。在一个实施方式中，绝热材料可以被配置成兼具良好的断裂韧性性能和低导热性能。

在一个实施方式中，绝热材料的极限抗拉强度可以在约600MPa至约1500MPa的范围内。在一个实施方式中，绝热材料的屈服强度可以在约400MPa至约1200MPa的范围内。在一个实施方式中，绝热材料的伸长率可以在约1％至约20％的范围内。

在一个实施方式中，绝热材料可以具有粉末材料构型。在一个实施方式中，绝热材料可以喷涂到模具本体上。在一个实施方式中，绝热材料可以呈涂层的形式。在一个实施方式中，绝热材料可以包括导热率在约1.9W/m·K至约3W/m·K的范围内的热喷涂多层涂层。

在一个实施方式中，绝热材料可以具有块构型。在一个实施方式中，绝热块可以通过增材制造过程形成。在一个实施方式中，绝热块可以螺栓连接至模具本体(例如，钢子块)。在一个实施方式中，如果绝热材料具有块构型，则绝热块本身可以用作第一区域120上的模具本体。在一个实施方式中，绝热块可以比粉末状或涂层构型的绝热材料厚。

在一个实施方式中，绝热材料27和29的厚度可以取决于热成型构件36的第一区域120中所需的机械(延展性/减小的强度)性能。在一个实施方式中，绝热材料的导热性能可能与绝热材料的厚度成反比。在一个实施方式中，绝热材料27和29的厚度可以在约0.5mm至约5mm的范围内。在一个实施方式中，绝热材料27和29的厚度可以为约1mm。在一个实施方式中，绝热材料27和29的导热率可以取决于热成型构件36的第一区域120中所需的机械(延展性/减小的强度)性能。

在一个实施方式中，工件30的与绝热材料27和29直接接触的部分相比于工件30的与相对较高导热表面20a和26a直接接触的其他部分以较慢的冷却速率被冷却。在一个实施方式中，工件30的与烧结(绝热)材料27和29直接接触的部分相比于工件30的与相对较高导热表面20a和26a直接接触的其他部分以较慢的冷却速率被冷却。在一个实施方式中，绝热材料可以被配置成使工件30的与绝热材料27和29直接接触的部分的冷却速率降低，以便在工件30的那些部分中实现“软区”。在一个实施方式中，软区可以是具有低/减小的硬度/抗拉强度性能和高延展性/屈服/伸长性能的区域。

在一个实施方式中，模具12和模具14构造成使得在构件36的需要软区的区/区域中，模具12的表面和模具14的表面具有低导电性/绝热材料。例如，如图3B所示，对于用于车辆的B柱或B立柱而言，可能期望具有相对较高延展性(或降低的强度/硬度)区域120(软区)和高强度/硬度区域122。在一个实施方式中，与构件36的第一区域120直接接触的相对较低导热表面20b和26b构造成允许第一区域120相比于第二区域122以较慢的冷却速率被冷却，从而在第一区域120中形成软区。

在一个实施方式中，软区可以包括例如混合有不同含量的贝氏体和/或铁素体的马氏体(具有延展性)的微观组织。在又一实施方式中，软区可以包括具有高延展性或者降低的强度/硬度性能的任何微观组织。

在一个实施方式中，如图2A所示，绝热材料27和29可以热结合至其相应的模具本体18、24，以分别形成相对较低导热表面20b和26b。在一个实施方式中，绝热材料27和29可以使用激光烧结过程形成在模具本体上。激光烧结过程是使用激光装置作为动力源来烧结粉末绝热材料的增材制造过程。所述过程还包括将材料结合在一起以形成绝热材料的期望几何形状。在一个实施方式中，绝热材料的期望几何形状是逐层地(即，添加地积聚)形成的。在一个实施方式中，激光烧结过程可以是选择性激光烧结或直接金属激光烧结。

在一个实施方式中，激光烧结过程被配置成在绝热材料27和29与其相应的模具本体之间提供均匀的分子热结合500，例如，不具有气泡或焊渣。

在另一实施方式中，绝热材料27和29可以使用激光金属沉积过程形成在模具本体上。激光金属沉积过程通常使用激光装置作为动力源以在基底材料(例如，金属基底)上形成熔池。绝热材料(例如，粉末)被进料到熔池中并且被吸收到熔池中以形成熔融结合至基底材料的沉积物。与激光烧结过程一样，激光金属沉积过程是绝热材料的期望几何形状逐层地(即，添加地积聚)形成的增材制造过程。

在其他实施方式中，在本专利申请中可以使用与激光金属沉积过程和激光烧结方法(如上文所述)类似的其他增材制造过程。在一个实施方式中，增材制造过程通常可以指绝热材料通过将绝热材料以一层在一层之上的方式添加而形成在相应的模具表面上的过程。在一个实施方式中，增材制造过程被配置成在绝热材料27和29与其相应的模具本体之间提供均匀的分子热结合，例如不具有气泡或焊渣。在一个实施方式中，激光熔融过程可以用于在相应的模具表面上沉积或形成绝热材料层。

在一个实施方式中，模具12的相对较高导热表面20a和相对较低导热表面20b被绝热体部分42隔开。在一个实施方式中，绝热体部分42被布置和构造成提供并维持相对较高导热表面20a与相对较低导热表面20b之间的热分隔/绝热。在一个实施方式中，绝热体部分42被以下述方式设计：该绝热体部分42在相对较高导热表面20a与相对较低导热表面20b之间提供足够的热障。

类似地，模具14的相对较高导热表面26a和相对较低导热表面26b被绝热体部分44隔开。在一个实施方式中，绝热体部分44被布置和构造成提供并维持相对较高导热表面26a与相对较低导热表面26b之间的热分隔/绝热。在一个实施方式中，绝热体部分44被以下述方式设计：该绝热体部分44在相对较高导热表面26a与相对较低导热表面26b之间提供足够的热障。

在一个实施方式中，绝热体部分42和44可以是气隙。也就是说，在一个实施方式中，绝热体部分42和44中的绝热材料/物质可以是空气。在另一实施方式中，绝热体部分42和44中的绝热材料/物质可以包括固体绝热材料。在一个实施方式中，绝热体部分42和44各自可以具有矩形形状构型。

在一个实施方式中，绝热体部分42和44各自可以具有高度尺寸H和宽度尺寸W。在另一实施方式中，绝热体部分42和44各自可以具有其他成形构型。在一个实施方式中，绝热体部分的形状和尺寸以及绝热材料的性质可以根据在系统10中形成的热成型构件36而进行变化。例如，当形成在系统10中的热成型构件36为用于车辆的B柱或B立柱时，绝热体部分42和44的宽度尺寸W可以为约5mm。在一个实施方式中，绝热体部分42和44的高度尺寸H可以在相应模具本体的总高度的约25％至约100％的范围内。

图3A示出了形成在常规模具装置中的热成型构件36’。热成型构件36’在整个热成型构件36’中具有大致均匀的马氏体组织。

图3B示出了形成在本专利公开的模具装置12和14中的热成型构件36。图3B示出了热成型构件36包括具有显著不同的机械性能的两个区域120和122。在一个实施方式中，两个区域120和122可以具有不同的抗拉强度/硬度性能。在一个实施方式中，两个区域120和122可以具有不同的延展性/屈服/伸长性能。

在一个实施方式中，第一区域120可以包括具有降低的抗拉强度的微观组织，并且第二区域122可以包括具有高抗拉强度的微观组织。也就是说，第一区域120的抗拉强度明显小于第二区域122的抗拉强度。在一个实施方式中，第一区域120可以包括具有高延展性的微观组织，并且第二区域122具有马氏体组织。

在一个实施方式中，相对较低导热表面20b和26b配合成处于接纳在模具腔39中的工件30的第一区域120的相反两侧，使得与相对较低导热表面20b和26b直接接触的第一区域120相比于工件30的第二区域122以较慢的冷却速率被冷却。也就是说，由于较慢的冷却速率，在“边界”124的一侧的第一区域120内形成有具有高延展性和降低的强度/硬度的微观组织，而在边界124的另一侧的第二区域122中形成马氏体组织。在一个实施方式中，沿着第一区域120与第二区域122之间的边界124可能存在有限宽度的过渡区域。在一个实施方式中，热成型构件36在过渡区或区域124内的抗拉强度是第一区域12内的抗拉强度和第二区域122内的抗拉强度的中间值。

图4示出了用于在热成型系统10中形成热成型构件36的方法400的流程图。在一个实施方式中，热成型构件36可以包括车身构件。在一个实施方式中，方法400可以包括过程402至406。

在过程402中，在热成型和/或压制硬化操作期间将工件30加热至奥氏体化温度。在过程402中，提供工件30。在一个实施方式中，工件30可以由诸如1500P或1500的可硬化钢、硼钢或任何合适的热冲压压制硬化材料构成的板冲压而成。在一个实施方式中，工件30特别地可以预成形以用于生产所需形状的热成型部件。例如，工件30可以利用额外的切削过程或额外的冷成型过程来预成形。

工件30(例如，冲压或预成形的工件30)被加热至奥氏体状态。例如，工件30在烘箱或烘炉(例如，辊底式烘炉或分层式烘炉)中被加热至高于Ac3温度的温度。在一个实施方式中，工件30可以被预热至诸如约930℃的预定温度。在一个实施方式中，工件30可以被预热至诸如约900℃的预定温度。在一个实施方式中，工件30被加热成使得工件30的组织基本上由奥氏体构成(在工件30的组织并非完全由奥氏体构成的情况下)。一旦工件30处于奥氏体状态，可以将工件30迅速/快速地转移至模具装置12和14。

在过程404中，工件30(处于奥氏体状态)经受热成型操作以形成热成型构件36。在一个实施方式中，可以使经加热的工件30在模具12与模具14之间成型。在过程404中，将经加热的工件30放置在模具12的第一模具表面20与模具14的第二模具表面26之间的模具腔39中。在一个实施方式中，模具腔39构造成具有与工件在热成型过程之后的最终形状相对应的形状。

在一个实施方式中，系统10可以包括对工件30具有完全保持功能的工件保持器。也就是说，工件30可以被夹持在工件保持器的保持构件之间。保持构件中的一个保持构件可以通过致动器(例如，液压地操作的致动器和/或通过弹性力操作的致动器)来操作(即，打开及闭合)。在一个实施方式中，工件保持器可以是可选的。

当工件30被接纳在模具腔39中时，工件30定位成使得相对较高导热表面20a和26a位于第二区域122的相反两侧，并且相对较低导热表面20b和26b位于第一区域120的相反两侧。

接下来，可以通过冲压机34使模具12和14在模具作用方向上结合(即，闭合)，使得形成热成型构件36。也就是说，第一模具12和第二模具14可以结合以使工件30变形，进而形成热成型构件36并且可选地对热成型构件36进行修边。

在过程406中，在热成型构件36仍然位于所述一对模具12和14内部或者位于所述一对模具12和14之间的情况下，对构件36进行冷却，使得在第二区域122内形成马氏体，并且在第一区域120内形成具有高延展性和降低的强度/硬度的微观组织。在一个实施方式中，具有高延展性和降低的强度/硬度的微观组织可以包括与不同量的贝氏体和/或铁素体混合的马氏体组织。

例如，在过程406中，通过以足够快速/迅速的冷却速率对第二区域122进行冷却以在第二区域122中形成马氏体组织来硬化第二区域122。同时，第一区域120保持与相对较低导热表面20b和26b直接接触，使得第一区域120相比于第二区域122以较慢的冷却速率被冷却，以在第一区域120中形成具有高延展性和降低的强度/硬度的微观组织。

第二区域122在半模12和14内的变形和相继的快速冷却产生如下第二区域122，在该第二区域122中，奥氏体组织已经转变成马氏体组织。第二区域122的冷却速率足够快以支持在第二区域122内形成马氏体组织。

在一个实施方式中，穿过半模12和14限定的通道22和28构造成允许冷却流体(例如，水、油、盐水等)流过/通过通道22和28，以从第二区域122快速地移除热以及/或者实现第二区域122的快速的冷却速率。例如，在一个实施方式中，第二区域122的冷却速率可以处于约30℃/秒至约100℃/秒的范围内。

在一个实施方式中，冷却通道22与模具表面20之间的距离和冷却通道28与模具表面26之间的距离、以及冷却流体的质量流率和冷却流体的温度可以选择成控制模具12和14两者的冷却，使得第二区域122在其主表面上以受控的方式一致地淬火，以使相变到达期望的金相状态。在一个实施方式中，模具12和14可以用作散热器以从第二区域122吸取热并由此以受控的方式对第二区域122进行冷却，从而在第二区域122中引起期望的相变(例如，转变至马氏体)，并且可选地将第二区域122冷却至所需温度。

第二区域122的抗拉强度和硬度在整个第二区域122上基本上是均匀的。在一个实施方式中，第二区域122的抗拉强度大于第一区域120的抗拉强度。在一个实施方式中，第二区域122的硬度大于第一区域120的硬度。在一个实施方式中，第二区域122的延展性、屈服应力和伸长率小于第一区域120的延展性、屈服应力和伸长率。

在一个实施方式中，热成型构件36被冷却，使得在热成型构件36的第一区域120内形成具有高延展性和降低的强度/硬度性能的微观组织，同时在热成型构件36的第二区域122中形成马氏体组织。也就是说，第二区域122基本上没有残余具有高延展性和降低的强度/硬度性能的微观组织。

例如，在过程406中，相对较低导热表面20b和26b配合成位于接纳在模具腔39中的热成型构件36的第一区域120的相反两侧，使得与相对较低导热表面20b和26b直接接触的第一区域120相比于与相对较高导热表面20a和26a直接接触的第二区域122以较慢的冷却速率被冷却。

在一个实施方式中，与相对较低导热表面20b和26b直接接触的第一区域120在约7秒至8秒内从约900℃冷却至550℃，并且与相对较高导热表面直接接触的第二区域122在约7秒至8秒内从约900℃冷却至200℃。在一个实施方式中，热成型构件36的周期时间为约7秒至8秒。

在一个实施方式中，相对较低导热表面20b和26b的绝热材料可以被配置成使第一区域120的冷却时间延长。在一个实施方式中，相对较低导热表面20b和26b的绝热材料可以被配置成使第一区域120的冷却速率降低。在一个实施方式中，绝热材料/低热传导材料/低导热材料可以被配置成在第一区域120与相对较低导热表面20b和26b直接接触的情况下使第一区域120的热损失减慢。这导致第一区域120中的机械性能与第二区域122中的机械性能不同。

第一区域120的延展性在整个第一区域120中基本上是均匀的。在一个实施方式中，第一区域120的延展性大于第二区域122的延展性。在一个实施方式中，第一区域120的伸长率大于第二区域122的伸长率。在一个实施方式中，第一区域120的屈服应力大于第二区域122的屈服应力。在一个实施方式中，第一区域120的硬度/抗拉强度小于第二区域122的硬度/抗拉强度。

在一个实施方式中，构件36可以在冷却过程406期间保持位于模具装置内，以在构件36被冷却和/或硬化的同时保持构件36的期望形状。在一个实施方式中，可以使用夹具来在冷却过程406期间保持构件36的尺寸。在另一实施方式中，夹具可以是可选的。

在一个实施方式中，热成型构件36可以在热成型构件36从模具12和14脱出之前由模具12和14冷却。

在一个实施方式中，在冷却过程406结束时，构件36的第一区域120可以冷却至室温附近。在一个实施方式中，第一区域120是气体冷却的。在另一实施方式中，可以使用比如说例如气体鼓风、流化床冷却、模具冷却、水/雾冷却、以及使用冷却风扇/冷却喷嘴的冷却等的另一合适的冷却技术来冷却第一区域120。

在一个实施方式中，在将构件36从模具装置12和14移除之后，构件36可以被冷却至室温附近或者至少冷却至约20℃至约250℃的温度。在该阶段，构件36的第二区域122具有基本上均匀的马氏体组织，并且构件36的第一区域120基本上具有具备均匀的高延展性和均匀的降低的硬度/抗拉强度性能的微观组织。

此后，模具12和14可以彼此分开(即，打开)，并且热成型构件36可以从模具腔39移除。在一个实施方式中，可以执行额外的处理过程。这些额外的处理过程可以包括修边、穿孔等。

在一个实施方式中，根据本公开的教示的热成型模具装置10的构造可以允许以精确的方式控制模具表面上的每个位置处的冷却速率。这对于大批量生产会是特别有利的，原因在于可以采用相对较短的整体周期时间同时实现期望的金相转变。

在一个实施方式中，本专利申请公开了形成两个区域，一个区域具有马氏体组织，而另一区域具有具备高延展性和降低的硬度/抗拉强度性能的微观组织。然而，可以设想的是，构件36中的具有马氏体的区域的数量和具有具备高延展性的微观组织的区域的数量可以改变。在一个实施方式中，位于构件36的不同区域内的额外的“软区”可以在单个道次中形成。在一个实施方式中，在构件36中可以形成两个或更多个不连续的“软区”。

在一个实施方式中，热成型构件可以被称为热冲压构件或热成形构件。例如，热冲压允许形成复杂部件几何形状，使得最终产品获得超高强度材料性能。

在一个实施方式中，本专利申请的系统和方法可以用于形成具有定制性能的产品。例如，这些产品可以在产品中包括具有降低的硬度、降低的强度和/或高延展性/屈服/伸长率的区域。在一个实施方式中，本专利申请的系统和方法可以用于形成车身立柱、车辆边梁、车顶纵梁、车辆保险杠和车门防撞梁。

尽管已经出于说明的目的详细地描述了本专利申请，但是应当理解的是，这样的细节仅用于该目的，并且本专利申请不限于所公开的实施方式，而相反地意在覆盖在所附权利要求的精神和范围内的改型和等效布置。另外，应当理解的是，本专利申请设想的是，任一实施方式的一个或更多个特征可以尽可能地与任一其他实施方式的一个或更多个特征进行组合。

Claims

1.一种成型系统，包括：

第一模具，所述第一模具具有第一模具表面；

第二模具，所述第二模具具有第二模具表面；以及

冷却系统，所述冷却系统与所述第一模具和所述第二模具操作性地相关联，

其中，所述第一模具表面和所述第二模具表面构造为在其间配合形成模具腔，以在所述模具腔中接纳工件，

在所述第一模具表面和所述第二模具表面的相对部分上形成有烧结材料以形成相对较低导热模具区域，

其中，所述第一模具和所述第二模具具有对置的相对较高导热表面以形成相对较高导热模具区域，

其中，所述冷却系统设置成与所述第一模具的相对较高导热表面和所述第二模具的相对较高导热表面成导热关系，

其中，所述第一模具的相对较高导热表面和所述第二模具的相对较高导热表面配合成位于接纳在所述模具腔中的所述工件的相反两侧，并且所述第一模具表面和所述第二模具表面的相对部分上的所述烧结材料配合成位于接纳在所述模具腔中的所述工件的相反两侧，并且

其中，所述工件的与所述烧结材料直接接触的部分相比于所述工件的与所述相对较高导热表面直接接触的部分以较慢的冷却速率被冷却。

2.根据权利要求1所述的成型系统，其中，所述烧结材料通过激光烧结过程形成在所述第一模具和所述第二模具上。

3.根据权利要求1所述的成型系统，其中，所述模具腔构造成具有与所述工件在热成型过程之后的最终形状相对应的形状。

4.根据权利要求1所述的成型系统，其中，所述冷却系统包括设置在所述第一模具和所述第二模具中的冷却通道。

5.根据权利要求4所述的成型系统，其中，所述冷却通道构造成对所述相对较高导热表面和所述工件的与所述相对较高导热表面直接接触的部分进行冷却。

6.根据权利要求1所述的成型系统，其中，所述第一模具的相对较高导热表面和相对较低导热表面由第一绝热体部分隔开。

7.根据权利要求6所述的成型系统，其中，所述第二模具的相对较高导热表面和相对较低导热表面由第二绝热体部分隔开。

8.根据权利要求7所述的成型系统，其中，所述第一绝热体部分和所述第二绝热体部分彼此相对地设置。

9.根据权利要求1所述的成型系统，其中，所述工件的与所述相对较高导热表面直接接触的部分包括马氏体微观组织。

10.根据权利要求1所述的成型系统，其中，所述工件的与所述烧结材料直接接触的部分包括硬度性能降低的微观组织。

11.根据权利要求10所述的成型系统，其中，所述微观组织包括与不同量的贝氏体和/或铁素体混合的马氏体组织。

12.一种用于形成车身构件的方法，所述方法包括：

使工件在模具系统中成型以形成车身构件，所述模具系统具有绝热模具区域和冷却模具区域，其中，所述绝热模具区域包括对置的包括绝热材料的相对较低导热表面，并且其中，所述绝热材料通过增材制造过程形成在所述模具系统的第一模具和第二模具上；以及

在所述模具系统中对所述车身构件进行冷却，其中，所述车身构件的与所述绝热模具区域直接接触的部分相比于所述车身构件的与所述冷却模具区域直接接触的部分以较慢的冷却速率被冷却。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述车身构件包括材料性能不同的区域。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括：将所述工件加热至奥氏体化温度，并且将经加热的工件转移至所述模具系统以进行成型过程。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述冷却模具区域包括对置的相对较高导热表面，所述相对较高导热表面与所述模具系统的冷却系统成导热关系。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述增材制造过程是激光烧结过程。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述增材制造过程是激光金属沉积过程。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述车身构件的与所述绝热模具区域直接接触的部分包括硬度性能降低的微观组织。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述微观组织包括与不同量的贝氏体和/或铁素体混合的马氏体组织。

20.根据权利要求12所述的方法，其中，所述车身构件的与所述冷却模具区域直接接触的部分包括马氏体微观组织。

21.根据权利要求12所述的方法，其中，所述绝热模具区域和所述冷却模具部分由绝热体部分隔开。

22.一种成型系统，包括：

第一模具，所述第一模具具有第一模具表面；

第二模具，所述第二模具具有第二模具表面；以及

在所述第一模具表面和所述第二模具表面的相对部分上利用增材制造过程形成有绝热材料以形成相对较低导热模具区域，

其中，所述第一模具的相对较高导热表面和所述第二模具的相对较高导热表面配合成位于接纳在所述模具腔中的所述工件的相反两侧，并且形成在所述第一模具表面和所述第二模具表面的相对部分上的所述绝热材料配合成位于接纳在所述模具腔中的所述工件的相反两侧，并且

其中，所述工件的与所述绝热材料直接接触的部分相比于所述工件的与所述相对较高导热表面直接接触的部分以较慢的冷却速率被冷却。

23.根据权利要求22所述的成型系统，其中，所述增材制造过程是激光金属沉积过程。

24.根据权利要求22所述的成型系统，其中，所述增材制造过程是激光金属烧结过程。