DE10034406A1 - Verfahren zur Herstellung eines verformten, metallischen Verbundwerkstoffes - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines verformten, metallischen Verbundwerkstoffes, welcher aus mindestens drei Schichten aufgebaut ist, welche mindestens eine aufschäumbare Kernschicht und mindestens zwei metallische Deckschichten beinhaltet, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet: Oberes und unteres Bedecken der aufschäumbaren Kernschicht mit mindestens je einem Deckblech, wodurch ein Roh-Verbundwerkstoff entsteht; Einlegen des Roh-Verbundwerkstoffes zwischen einen Stempel und einem Werkzeug einer Presse; Schließen der Presse bis der Roh-Verbundwerkstoff eingeklemmt ist durch Absenken des Stempels auf das Werkzeug, so daß zwischen diesen eine Kavität entsteht; Plastisches Verformen des Roh-Verbundwerkstoffes durch Einblasen von Luft aus dem als Lufteinlaßplatte ausgebildeten Stempel in die Kavität und gleichzeitiges Erwärmen, so daß die aufschäumbare Kernschicht während des Verformens aufschäumt und mit den Deckschichten eine innige Verbindung eingeht; Entnehmen des verformten, aufgeschäumten und untereinander verbundenen, metallischen Fertig-Verbundwerkstoffes aus der geöffneten Presse.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung verformter, metallischer Verbundwerkstoffe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Verbundwerkstoffen ist bspw. mit dem Gegenstand der DE 44 26 627 C2 bekannt geworden.

Bei diesem bekannten Verfahren besteht der metallische Verbundwerkstoff aus einer oberen, metallischen Deckschicht, einem mittlerem, aufschäumbaren Kern und aus einer unteren, metallischen Deckschicht.

Zur Herstellung dieses Verbundwerkstoffes wird dieses dreischichtige Material in den Walzenspalt einer Rollenpresse eingeführt, wodurch die Deckschichten als auch der aufschäumbare Kern durch Kalt- oder Warmwalzen verdichtet werden und ein fester Verbund zwischen oberer und unterer metallischer Deckschichten und dem aufschäumbaren Kern eingegangen wird, wobei dieser Verbund nicht sehr lastübertragend ist, es wird noch zusätzlich vorgeschlagen, daß neben dem Kalt- oder Warmwalzen zur Herstellung dieses Verbundes auch ein Diffusionsschweißen des Paketes erfolgen kann, welches ebenso einen nicht hoch belastbaren Verbund der Materialien ermöglicht.

Nachdem also dieser dreischichtige Verbundwerkstoff durch Walzen zunächst verdichtet wurde, so daß der aufschäumbare Kern entsprechend verdichtet zwischen den Deckschichten vorliegt, erfolgt dann die eigentliche Formgebung des entstandenen Verbundes durch Pressen, Biegen oder Tiefziehen. Ebenso erfolgt die Formgebung erst nach dem Verbinden der Materialien der Verbundwerkstoffe durch die alternative Diffusionsschweißung.

Es hat sich nun gezeigt, daß das bekannte Verfahren verbesserungsfähig ist, denn zum einen fehlt es an einem hochbelastbaren Verbund entsprechender Schichten des Verbundwerkstoffes und zum anderen ist die Formgebung durch das spätere Pressen, Biegen oder Tiefziehen eines bereits verdichteten Verbundwerkstoffes nur sehr schwierig möglich, da hierdurch eine Erhöhung der Festigkeit der einzelnen Schichtmaterialien erfolgt, wodurch demzufolge nur geringe weitere Umformgrade möglich sind. D. h., beim nachfolgenden Umformen können nur relativ große Radien geformt werden, was in vielen Fällen nicht ausreicht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei wesentlich besserer Verbundkraft der einzelnen Schichten des Verbundwerkstoffes untereinander ein höherer Umformgrad des gesamten hergestellten Verbundwerkstoffes möglich ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des unabhängigen Patentanspruches 1 gekennzeichnet.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß in einem ersten Verfahrensschritt ein mindestens aus drei Schichten bestehender Verbundkörper dadurch hergestellt wird, daß ein aufschäumbarer Kern mit einem oberen Deckblech und einem unteren Deckblech bedeckt wird.

Daß im zweiten Verfahrensschritt der Roh-Verbundkörper in eine Presse zwecks superplastischer Verformung eingelegt wird
und daß in einem dritten Verfahrensschritt die superplastische Verformungspresse (nachfolgend SPF-Presse genannt) geschlossen wird
daß in einem weiteren Verfahrensschritt während des Umformprozesses in der SPF-Presse Wärme dem Verbundwerkstoff dergestalt zugeführt wird, daß die aufschäumbare Kernschicht während dem Umformen aufschäumt und während des Aufschäumens eine Verbindung über Diffusion mit den äußeren Deckblechen eingeht, d. h. sein Volumen stark vergrößert und daß in diesem Verfahrenszustand die endgültige Schließstellung der SPF-Presse erreicht ist, und daß schließlich im letzten Verfahrensschritt der so hergestellte aufgeschäumte Verbundkörper aus der Presse entnommen wird.

Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich also der wesentliche Vorteil, daß durch Verarbeiten eines mehrschichtigen Verbundwerkstoffs in einer superplastischen Verformungspresse nun der Vorteil besteht, daß während des Verformungsvorganges gleichzeitig Wärme zugeführt wird und daß also während des Verformungsvorganges der aufschäumbare Kern aufgrund der Wärmezufuhr aufschäumt und hierdurch ein ausgezeichneter und hochlastübertragender Verbund zwischen dem aufschäumbaren Kern und den oberen und unteren Deckblechen hergestellt wird. Dies war nach dem Verfahren nach dem Stand der Technik nicht möglich, weil dort der aufgeschäumte Kern durch den Walzenspalt einer Walzenpresse hindurchgeführt wurde, wodurch der Kern wiederum verdichtet wurde. Hierdurch sollte also der Verbund zwischen den Deckblechen hergestellt werden, was nur ungenügend gelang.

Bei der vorliegenden Erfindung wird hingegen während der Einwirkung von Presskraft (durch Zuführung von Druckluft) zunächst einmal von vornherein ein guter Pressverbund zwischen den Deckblechen und dem Kern hergestellt. Wenn während des Pressens und Verformens aber gleichzeitig noch Wärme zugeführt wird, schäumt der Kern auf und aufgrund dieser Aufschäumung kommt es zu einer Diffusion des Kernmaterials in die Innenseiten der anliegenden oberen und unteren Deckbleche, wodurch der Verbund zu den Deckblechen nochmals verbessert und erhöht wird.

Hierdurch wird also die Verbundkraft zwischen den Deckblechen einmal durch den Pressvorgang selbst und zum anderen durch das Aufschäumen wesentlich gesteigert, was nach dem Stand der Technik nicht bekannt war.

Die Verwendung einer SPF-Presse mit dem erfindungsgemässen Verfahren hat den wesentlichen Vorteil, daß nun wesentlich höhere Umformgrade erreicht werden können, d. h. es können sehr kleine Radien gebogen werden, was nach dem Stand der Technik überhaupt nicht möglich war. Die superplastische Umformung erreicht nämlich aufgrund der einwirkenden hohen Umformungskräfte und aufgrund der Tatsache, daß ein gasförmiges Medium als Umformkraft verwendet wird, sehr kleine Umformungsradien, was zu einer sehr hochgradigen Umformung eines mehrschichtigen Verbundkörpers führt. Es können also Verbundkörper mit hohem Umformgrad und kleinen Biegeradien hergestellt werden, was nach dem Stand der Technik bisher nicht möglich war.

Bezüglich der Temperaturen, Art und Zusammensetzung der Materialien und der übrigen Material- und Verfahrensparameter wird auf den Gegenstand der DE 44 26 627 C1 verwiesen, deren Offenbarungsinhalt vollinhaltlich von der vorliegenden Offenbarung umfasst sein soll.

Im einzelnen bedeutet dies, daß bei der Verwendung einer Presse mit superplastischen Verformen es bevorzugt wird, eine Temperatur im Bereich von 300° bis 500°Celsius zuzuführen, um den aufschäumbaren Kern aus einem Aluminium-Silicium-Material zum Aufschäumen zu bringen.

Es wird also insbesondere der Verbund zwischen Aluminiumblechen und einem Aluminium-Silicium-Schaum bevorzugt.

Im übrigen wird es bevorzugt, wenn auch noch höhere Temperaturen verwendet werden, weil beim superplastischen Verformen auch mit Temperaturen bis zu 700° Celsius gearbeitet wird. Es werden dann Aluminiumlegierungen als Material für die Deckschichten verwendet, die bei diesem Temperaturbereich gerade noch nicht schmelzen. Bei dem Herantasten an die obere Grenze der möglichen Temperatur kommt es dann zu besonders qualitativ hochwertigen Verbundwerkstoffen, weil bei derartig hohen Temperaturen der Kern in günstiger Weise aufschäumt und gleichzeitig bereits schon die verwendeten Aluminium- Deckbleche in eine plastische Verformung übergehen, so daß ein ausgezeichneter Verbund zwischen dem unter hoher Temperatur aufschäumbaren Kern und den nahe an der plastischen Umformungstemperatur befindlichen Deckblechen entsteht.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.

Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung, offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen

Fig. 1 Schematisiert eine Presse zum superplastischen Verformen von Verbundwerkstoffen nach der Erfindung;

Fig. 2 Schematisiert die Presse nach Fig. 1 in einem ersten Verfahrensschritt;

Fig. 3 Schematisiert die Presse in einem zweiten Verfahrensschritt;

Fig. 4 Schematisiert die Presse in einem dritten Verfahrensschritt;

Fig. 5 Ein Querschnitt durch einen dreischichtigen Verbundwerkstoff.

Allgemein wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zunächst darauf hingewiesen, daß es nicht lösungsnotwendig ist, lediglich einen dreischichtigen Verbundwerkstoff 8 herzustellen. Es können selbstverständlich auch mehr als drei Schichten verwendet werden, wobei abwechselnd zwischen den Deckblechen 13 und 15 auch mehr als eine wärmeaufschäumbare Kernschicht 14 enthalten sein kann.

Der Einfachheit halber wird jedoch von einem dreischichtigen Verbundkörper 8 ausgegangen, der gemäss Fig. 5 aus einem oberen Deckblech 13, einer mittleren Kernschicht 14 und einem unteren Deckblech 15 besteht. Zwischen den genannten Schichten wird der oben erwähnte ausgezeichnete Haftverbund erreicht.

Eine Presse zum superplastischen Verformen besteht gemäss Fig. 1 im wesentlichen aus einem Pressenkörper, von dem lediglich die vertikalen Wände 6 in Fig. 1 angegeben sind.

Zwischen den Wänden 6 ist hierbei eine tragende Isolation 2 angeordnet, wobei im Innenraum der tragenden Isolationen 2 jeweils Heizplatten 3 ober- und unterseitig der Pressenkavität 12 angeordnet sind.

Im Innenraum der Kavität 12 ist oben eine Lufteinlassplatte 4 angeordnet, in der eine Bohrung angeordnet ist, in der ein Lufteingang 7 angeordnet ist.

Diese Bohrung mündet in der Mitte der Kavität 12, die im wesentlichen gebildet ist durch ein unteres Werkzeug 5, auf dessen Oberseite der zu verformende Verbundwerkstoff 8 aufgelegt ist.

Im Werkzeug 5 ist weiter eine Bohrung angeordnet, die einen Luftausgang 9 bildet.

Die Schließkraft wird durch einen nicht näher dargestellten Druckzylinder 1 ausgeübt, der die obere Druckplatte 16 in Pfeilrichtung 10 zusammen mit der tragenden Isolation 2 und der Heizplatte 3 und der daran befestigten Lufteinlassplatte 4 gegen den Verbundwerkstoff 8 bewegt. Es ergibt sich dann etwa der Zustand nach Fig. 2, wo erkennbar ist, daß nun über den Lufteingang 7 die dort mit hohem Druck eingelassene Luft in Pfeilrichtung 11 auf den mehrschichtigen Verbundwerkstoff 8 wirkt. Als Luftdruck werden etwa 10 bar verwendet.

Gleichzeitig wird in dem Verfahrenszustand nach Fig. 2 Wärme über die Heizplatten 3 zugeführt, so daß die mittlere Kernschicht 14 gemäss Fig. 3 aufschäumt und gleichzeitig aufgrund der einwirkenden Luft in Pfeilrichtung 11 der gesamte Verbundwerkstoff 8 in die Formkavität, in den Bereich des Werkzeuges 5 mit hohem Druck und hoher Umformkraft hineingepresst wird.

Im letzten Verfahrensschritt, bei vollendeter Verformung hat dann der Verbundwerkstoff 8 eine intensive Anformung an die Kontur des Werkzeuges 5 erreicht, was durch Fig. 4 nur schematisch dargestellt ist.

Es wird dann ein in Fig. 5 lediglich schematisiert dargestellter mit hochgradigem Umformgrad verformter Verbundwerkstoff 8 erreicht.

Wichtig ist nun, daß eine hohe Verbundkraft zwischen den einzelnen Verbundschichten 17 erreicht wird, wobei der Verbundwerkstoff 8 insgesamt mit hohem Umformgrad umgeformt wurde.

Es können relativ großflächige Verbundwerkstoffe 8 mit hohem Umformgrad umgeformt werden, wie z. B. Karosserieteile für Kraftfahrzeuge insbesondere auch Motorhauben, oder Türen, die keine eigenen Versteifungsrippen mehr benötigen, weil der so erhaltenen Verbundwerkstoff 8 derart steif ausgebildet ist, daß auf weitere Versteifungen - insbesondere im Karosseriebau - verzichtet werden kann.

Zeichnungslegende

1

Druckzylinder

2

tragende Isolation

3

Heizplatten

4

Lufteinlassplatte

5

Werkzeug

6

Wand

7

Lufteingang

8

Verbundwerkstoff

9

Luftausgang

10

Wirkrichtung der Schließkraft

11

Wirkrichtung der Luft

12

Kavität

13

oberes Deckblech

14

Kernschicht

15

unteres Deckblech

16

Druckplatte

17

Verbundschichten

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines verformten, metallischen Verbundwerkstoffes (8), welcher aus mindestens drei Schichten (13-15) aufgebaut ist, welche mindestens eine aufschäumbare Kernschicht (14) und mindestens zwei metallische Deckschichten (13, 15) beinhaltet, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:

• a) Oberes und unteres Bedecken der aufschäumbaren Kernschicht (14) mit mindestens je einem Deckblech (13, 15), wodurch ein Roh-Verbundwerkstoff (8) entsteht;
• b) Einlegen des Roh-Verbundwerkstoffes (8) zwischen einen Stempel (4) und einem Werkzeug (5) einer Presse;
• c) Schließen der Presse bis der Roh-Verbundwerkstoff (8) eingeklemmt ist durch Absenken des Stempels (4) auf das Werkzeug (5), so daß zwischen diesen (4, 5) eine Kavität (12) entsteht;
• d) Plastisches Verformen des Roh-Verbundwerkstoffes (8) und gleichzeitiges Erwärmen, so daß die aufschäumbare Kernschicht (14) während des Verformens aufschäumt und mit den Deckschichten (13, 15) eine innige Verbindung eingeht;
• e) Entnehmen des verformten, aufgeschäumten und untereinander verbundenen, metallischen Fertig-Verbundwerkstoffes (8) aus der geöffneten Presse.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plastische Verformung gemäß Schritt 1d) durch Einblasen insbesondere von Luft aus dem als Lufteinlaßplatte ausgebildeten Stempel (4) in die Kavität (12) erfolgt, welche Kavität (12) zwischen Stempel (4) und Werkzeug (5) gebildet ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die plastische Verformung gemäß Schritt 1d) zusätzlich oder ausschließlich durch Einfahren des Stempels (4) in die Kavität (12) in Richtung Werkzeug (5) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Roh-Verbundwerkstoffes (8) in Schritt 1d) im Bereich von 300°C bis 700°C liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Roh-Verbundwerkstoffes (8) in Schritt 1d) im Bereich von 300°C bis 500°C liegt.