DE102004023058A1 - Verfahren zur Herstellung eines lokal verstärkten Bauteils - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer ersten Platine, wobei die erste Platine einen ersten, stark belasteten Bereich aufweist, der mittels eines Verstärkungsteils verstärkt wird, und weniger stark belastete Bereiche, die außerhalb des ersten Bereichs liegen, und die unverstärkt sind, mit folgenden Schritten: DOLLAR A - Bereitstellen der ersten Platine, DOLLAR A - Bereitstellen einer zweiten, das Verstärkungsteil bildenden Platine, die kleiner als die erste Platine ist und die gerade so gestaltet ist, dass sie sich über den ersten, stark belasteten Bereich der ersten Platine erstreckt, DOLLAR A - Einbringen einer Zwischenschicht zwischen die beiden Platinen, wobei die Zwischenschicht während des Herstellungsvorganges des Bauteils fließfähig ist und nach einer Aushärtezeit elastisch oder fest ist, DOLLAR A - Umformen der Platinen mittels eines Umformwerkzeugs in eine Endform des Bauteils. DOLLAR A Zumindest eine der beiden Platinen ist derart strukturiert, dass bei der Herstellung des Bauteils Zwischenschichtmaterial in einzelne Strukturierungen der mindestens einen strukturierten Platine gedrückt wird, wobei die Zwischenschicht in mindestens einer Raumrichtung formschlüssig mit der mindestens einen strukturierten Platine verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines lokal verstärkten Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Bauteil gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 28.
  • In vielen Bereichen der Technik, insbesondere im Automobil-Karosseriebau, spielt das Thema Leichtbau eine immer größere Rolle. Bauteile sollten in möglichst allen Bauteilbereichen entsprechend den dort auftretenden mechanischen Belastungen ausgelegt sein. Aus Gewichtsgründen sollten Bauteilüberdimensionierungen vermieden werden. Bei tragenden Strukturkomponenten von Fahrzeugkarosserien werden stark belastete Bauteilbereiche häufig durch mehrere übereinander liegende Verstärkungsbleche verstärkt bzw. versteift. Bauteile, die belastungsgerecht lokal durch Verstärkungsbleche verstärkt werden, können als "Patchwork"-Bauteile bezeichnet werden. Patchwork-Bauteile sind seit langem Stand der Technik.
  • Beispielsweise beschreibt die DE 100 11 589 A1 ein Blechbauteil bestehend aus einer Blechplatine, die durch Aufdoppeln eines zweiten kleineren Blechs auf die größere „Grundplatine" lokal verstärkt ist. Bei der Herstellung des Bauteils wird zunächst zwischen die Grundplatine und das kleinere Verstärkungsblech eine Klebstoffzwischenschicht aus Pulverharz eingebracht. Anschließend werden die beiden zusammengefügten "Platinen" bei hoher Temperatur zu einem Verbund gepresst. Danach wird der Verbund abgekühlt und durch Tiefziehen in eine Bauteilendform umgeformt. Die Zwischenschicht verbessert nicht nur die Festigkeit des Platinenverbundes, sondern verringert auch die Gefahr von Korrosion.
  • Aus der DE 197 53 110 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Patchwork-Bauteils bekannt. Stark belastete Bereiche des Bauteils sind durch mehrere übereinander angeordnete Bleche verstärkt. Die übereinander angeordneten Bleche sind jeweils über eine Heißschmelzklebefolie oder ein Kleber-Verbindungsband miteinander verbunden. Nach der Herstellung des "Patchworks" werden die übereinander geschichteten Bleche gemeinsam umgeformt.
  • Ferner sind aus der DE 197 29 566 C2 , der DE 100 60 816 A1 und der US 4,759,994 mehrschichtige Verbundplatten bekannt, die jeweils eine Oberschicht, eine Unterschicht und eine dazwischen eingebrachte Zwischenschicht aufweisen. Bei der Zwischenschicht kann es sich beispielsweise um eine Kunststoffschicht mit eingelagerten Verstärkungselementen handeln oder um ein Streckmetall, das mit der Ober- und Unterschicht verklebt oder in sonstiger Weise verbunden ist.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines lokal verstärkten Bauteils bzw. ein nach diesem Verfahren hergestelltes Bauteil zu schaffen, das hinsichtlich Bauteilfestigkeit und Bauteilgewicht weiter optimiert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 27 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines „Patchwork-Bauteils" aus einer ersten Platine, die einen ersten, während des Betriebs des Patchwork-Bauteils stark belasteten Bereich aufweist, der mittels eines Verstärkungsteils verstärkt wird, und weniger stark belastete Bereiche, die außerhalb des ersten Bereichs liegen, und die unverstärkt bleiben. Das herzustellende Bauteil wird also nur dort verstärkt, wo es aus Festigkeitsgründen wirklich erforderlich ist. Unnötige Materialüberschüsse werden vermieden, was das Bauteilgewicht minimiert.
  • Zur Herstellung eines solchen Patchwork-Bauteils muss zunächst eine "erste Platine" bereit gestellt werden. Zur Verstärkung der ersten Platine wird eine "zweite Platine" bereit gestellt, die kleiner als die erste Platine ist. Die zweite „Verstärkungsplatine" ist beanspruchungsgerecht gestaltet. Das heißt, sie ist so gestaltet, dass sie sich nur über den ersten, im Betrieb des Bauteils stark belasteten Bereich der ersten Platine erstreckt. Anschließend werden die beiden Platinen gefügt. Hierbei wird zwischen die beiden Platinen eine „Zwischenschicht" eingebracht. Die Zwischenschicht kann so beschaffen sein, dass sie während der Herstellung des Patchwork-Bauteils fließfähig und nach einer Aushärtezeit elastisch oder sogar fest ist.
  • Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass zumindest eine der Platinen "strukturiert" ist oder dass beide Platinen „strukturiert" sind. Bei der Herstellung des Patchwork-Bauteils wird Zwischenschichtmaterial in einzelne „Strukturierungen" der mindestens einen strukturierten Platine gedrückt. Dadurch wird die Zwischenschicht in mindestens einer Raumrichtung formschlüssig mit der mindestens einen strukturierten Platine verbunden.
  • Zusätzlich können die beiden Platinen über die Zwischenschicht miteinander verklebt sein. Vorzugsweise ist die Zwischenschicht flächig mit den beiden Platinen verbunden. Dadurch wird ein Eindringen von Feuchtigkeit zwischen die Zwischenschicht und die Platinen verhindert, was die Gefahr von Korrosionsschäden verringert.
  • Die Begriffe "strukturiert" bzw. "Strukturierungen" sind im Zusammenhang mit dem Verstärkungsteil sehr breit zu verstehen. Bei den Strukturierungen kann es sich – ganz allgemein gesprochen – um Ausnehmungen, Vertiefungen, Rillen, Riffelungen, Rändelungen, Sacklöcher, Durchgangslöcher, Buckel etc. handeln. Die Strukturierungen können auch ganz unterschiedliche Formen haben. Im Falle lochartiger Strukturierungen können die einzelnen Löcher z.B. kreisförmig, oval, rechteckförmig, dreieckförmig, prismenförmig oder anderweitig gestaltet sein.
  • Die Strukturierungen einer Platine können unterschiedliche Formen oder gleiche Formen sowie unterschiedliche Größen oder gleiche Größen haben. Die einzelnen Strukturierungen können diskontinuierlich oder gleichmäßig über die mindestens eine strukturierte Platine verteilt sein. Bauteilbereiche, die stark belastet sind, können beispielsweise kleine Löcher aufweisen, die relativ weit voneinander beabstandet sind, wohingegen Bauteilbereiche, die weniger stark belastet sind, aus Gewichtsgründen größere Löcher aufweisen oder Löchern die näher beieinander liegen.
  • Die Platinen können aus jeweils dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Die Platinen können beispielsweise aus eisenhaltigem Metall, aus einem Nichteisenmetall, aus einem Nichtmetall, z.B. aus einem isotropen Kunststoff, aus einem anisotropen Kunststoff, insbesondere einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff, aus Leder, aus Holz oder aus anderen Materialien hergestellt sein. Für Anwendungen im Kraftfahrzeugbau kommen primär Platinen aus Stahl-, Aluminium- oder Magnesiumblechen in Betracht.
  • Nach einer Variante der Erfindung sind die Platinen nicht nur über die Zwischenschicht, sondern über mindestens eine zusätzliche „Verbindung" miteinander verbunden. Bei der zusätzlichen Verbindung kann es sich um eine formschlüssige Verbindung handeln. Die Platinen können z.B. durch eine Schweißverbindung, eine Clinchverbindung, eine Schraubverbindung, eine Nietverbindung oder durch anderweitige Verbindungstechniken miteinander verbunden sein.
  • Die Platinen können auch elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Dies ist nicht nur dann möglich, wenn die Zwischenschicht elektrisch leitend ist. Wenn die Zwischenschicht nicht leitend ist, können die Platinen dennoch punktgeschweißt werden, sofern sich im Bereich des herzustellenden Schweißpunkts hinreichend fest zusammengedrückt werden, so dass das Zwischenschichtmaterial lokal beiseite gedrückt wird und lokal eine unmittelbare Berührung der Platinen entsteht.
  • Durch die Wahl geeigneter Zwischenschichtmaterialien können die Eigenschaften des herzustellenden Bauteils gezielt beeinflusst werden. Wenn das Bauteil mechanischen Schwingungen ausgesetzt ist und diese zumindest gedämpft werden sollen, kommt eine Zwischenschicht aus dauerelastischem, dämpfenden Material in Betracht. Wenn die Übertragung von Körperschall von der einen auf die andere Platine minimiert werden soll, so kann eine schallisolierende "Antidröhnmatte" als Zwischenschicht zwischen die Platinen eingebracht werden. Eine solche Antidröhnmatte kann beispielsweise aus Teer bzw. aus teerhaltigem Material hergestellt sein.
  • Für bestimmte Anwendungen kann es auch sinnvoll bzw. erforderlich sein, wenn die Zwischenschicht elektrisch leitend ist. Dies kann durch ein Zwischenschichtmaterial mit eingelagerten Metallpartikeln erreicht werden.
  • Bei anderen Anwendungen kann es zweckmäßig sein, die beiden Platinen kathodisch voneinander zu trennen, insbesondere wenn die Platinen aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen bestehen. In diesem Fall sollte die Zwischenschicht elektrisch isolierend sein.
  • Alternativ dazu kann auch ein Zwischenschichtmaterial gewählt werden, das eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wenn es darum geht, die beiden Platinen möglichst gut thermisch voneinander zu entkoppeln.
  • Von Vorteil kann es auch sein, wenn die Zwischenschicht permanentmagnetisch ist. Bei der Herstellung brauchen die beiden Platinen dann lediglich relativ zueinander positioniert werden. Durch eine permanentmagnetische Zwischenschicht wird verhindert, dass die Platinen vor der Umformung relativ zueinander verrutschen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die 1 bis 3 erläutern das Grundprinzip der Erfindung in schematischer Darstellung.
    •
  • 1 zeigt ein Grundblech 1, welches die "erste Platine" bildet. Aus dem Grundblech soll ein Blechteil geformt werden. Das herzustellende Blechteil wird in einzelnen Baueilen unterschiedlich stark belastet. In einem mittleren, kreisförmigen Bauteilbereich 2 wird das herzustellende Blechteil stärker belastet als in den übrigen Bauteilbereichen. Auf den stärker belasteten Bauteilbereich 2 des Grundblechs 1 wird ein Verstärkungsteil 3 aufgebracht, das auch als "Patch" bezeichnet werden kann.
  • Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Verstärkungsteil bzw. Patch 3 eine Vielzahl von kreisförmigen Löchern 4 auf. Aufgrund der Löcher 4 hat das Verstärkungsteil 3 ein relativ geringes Gewicht. Die Löcher 4 sind so dimensioniert und so angeordnet, dass das Verstärkungsteil eine möglichst hohe Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht hat.
  • Zwischen das Grundblech 1 und das Verstärkungsteil 3 wird eine Zwischenschicht 5 eingebracht. Bei der Zwischenschicht 5 kann es sich beispielsweise um eine schalldämmende Teermatte handeln. Das Grundblech 1 und das Verstärkungsteil 3 können zusammengepresst werden, was zu einem Verkleben des Grundblechs 1 mit der Zwischenschicht 5 bzw. der Teermatte 5 und des Verstärkungsteils 3 mit der Teermatte 5 führt. Je nach Gewicht des Verstärkungsteils 3 und der Zähigkeit der Zwischenschicht 5 ist ein Zusammendrücken aber nicht unbedingt erforderlich.
  • Wie aus 2 ersichtlich ist, dringt Material der Zwischenschicht 5 in die durch die Löcher 4 gebildeten „Strukturierungen" des Verstärkungsteils 3 ein. In den Löchern 4 bilden sich Verbindungspropfen 6. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel überdecken die Verbindungspropfen 6 nietkopfartig die Löcher 4. Somit ist das Verstärkungsteil 3 in drei Raumrichtungen formschlüssig mit der Zwischenschicht 5 verbunden.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ebenfalls Material der Zwischenschicht in die durch die Löcher 4 gebildeten Strukturierungen des Versteifungsteils 3 eindringt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 2 bilden sich jedoch keine propfartigen Verbindungen aus Zwischenschichtmaterial aus. Vielmehr „schließt" das in die Löcher 4 eindringende Zwischenschichtmaterial eben mit der Oberseite des Verstärkungsteils 3 ab. Das Verstärkungsteil 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel somit nur in zwei Raumrichtungen formschlüssig mit der Zwischenschicht 5 verbunden.

Claims (28)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer ersten Platine (1), wobei die erste Platine (1) einen ersten, stark belasteten Bereich (2) aufweist, der mittels eines Verstärkungsteils (3) verstärkt wird, und weniger stark belastete Bereiche, die außerhalb des ersten Bereichs liegen, und die unverstärkt sind, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen der ersten Platine (1), – Bereitstellen einer zweiten, das Verstärkungsteil (3) bildenden Platine (3), die kleiner als die erste Platine (1) ist und die gerade so gestaltet ist, dass sie sich über den ersten, stark belasteten Bereich (2) der ersten Platine (1) erstreckt, – Einbringen einer Zwischenschicht (5) zwischen die beiden Platinen (1, 3), wobei die Zwischenschicht (5) während des Herstellungsvorganges des Bauteils fließfähig ist und nach einer Aushärtezeit elastisch oder fest ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Platinen (1, 3) derart strukturiert ist, dass bei der Herstellung des Bauteils Zwischenschichtmaterial in einzelne Strukturierungen (4) der mindestens einen strukturierten Platine (1, 3) eindringt, wobei die Zwischenschicht (5) in mindestens einer Raumrichtung formschlüssig mit der mindestens einen strukturierten Platine (1, 3) verbunden ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beide Platinen (1, 3) Strukturierungen (4) aufweisen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei einzelne Strukturierungen in der mindestens einen strukturierten Platine (3) durch Vertiefungen gebildet sind.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei einzelne Strukturierungen in der mindestens einen strukturierten Platine (3) durch Löcher (4) gebildet sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens eine der Platinen (1, 3) aus eisenhaltigem Metall besteht.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei mindestens eine der Platinen (1, 3) aus Stahl besteht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens eine der Platinen (1, 3) aus einem Nichteisenmetall besteht.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei mindestens eine der Platinen aus Aluminium besteht.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens eine der Platinen aus einem Nichtmetall besteht.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mindestens eine der Platinen aus einem isotropen Kunststoffmaterial besteht.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mindestens eine der Platinen (1, 3) aus einem anisotropen Kunststoffmaterial besteht.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mindestens eine der Platinen aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff, besteht.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei mindestens eine der Platinen aus einem Naturprodukt besteht besteht.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei mindestens eine der Platinen aus Holz oder Leder besteht.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die beiden Platinen (1, 3) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die beiden Platinen (1, 3) aus demselben Material bestehen.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die beiden Platinen (1, 3) zusätzlich durch eine Schweißverbindung miteinander verbunden sind.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die beiden Platinen (1, 3) zusätzlich durch eine Clinch-Verbindung miteinander verbunden sind.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die beiden Platinen (1, 3) durch eine Schraubverbindung miteinander verbunden sind.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die beiden Platinen (1, 3) durch eine Nietverbindung miteinander verbunden sind.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Zwischenschicht aus Teer bzw. aus einem teerhaltigen Material besteht.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Zwischenschicht durch eine schalldämmende Teermatte gebildet ist.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Zwischenschicht elektrisch leitend ist.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Zwischenschicht permanentmagnetisch ist.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Zwischenschicht (5) eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als zumindest eine der beiden Platinen (1, 3).
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei die Zwischenschicht (5) elektrisch nichtleitend ist.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei die Platinen (1, 3) nach dem Einbringen der Zwischenschicht (5) gemeinsam umgeformt werden.
  28. Bauteil, das nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 27 hergestellt ist.
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