DE102004044509A1

DE102004044509A1 - Verfahren zum Verbinden und Stabilisieren thermisch und mechanisch belasteter, dünner Wände

Info

Publication number: DE102004044509A1
Application number: DE200410044509
Authority: DE
Inventors: Michael Mirtsch; Schokufeh Dr. Mirtsch; Eberhard Kurzweg
Original assignee: Mirtsch Dr GmbH
Current assignee: Mirtsch Dr GmbH
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: DE102004044509B4

Abstract

Verfahren zum Verbinden und Stabilisieren thermisch und mechanisch belasteter, dünner Wände, wobei vorzugsweise beulstrukturierte Wände zum Einsatz kommen, deren Strukturwölbungen an der Fügestelle vorzugsweise mit einer Gegenbeule versehen und dann mit einem ebenen Rahmen gefügt werden und dabei die thermischen und geometrischen Ausdehnungsbehinderungen durch die elastisch-plastische Flexibilität der Beulstrukturen kompensiert werden und gleichzeitig durch ihre hohe Biegesteifigkeit störende Oberflächeneindrückungen oder ein globales Beulen der gefügten, strukturierten Wand vermieden werden und schließlich das fertig gefügte Bauteil sogar bei späteren wechselnden, thermischen Betriebsbedingungen sich formstabil verhält.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden und Stabilisieren thermisch und mechanisch belasteter, dünner Wände, insbesondere beulstrukturierter Materialbahnen, ohne dass dafür seitliche Abstützungen der dünnen Wände erforderlich sind, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Beim Fügen, insbesondere durch Widerstandspunktschweißen oder Kleben von dünnen Blechen auf Rahmenkonstruktionen kommt es zur thermischen Ausdehnung oder Schrumpfung des Bleches in der Nähe der Fügebereiche. Diese örtlichen Ausdehnungen oder Schrumpfungen der dünnen Wand können sich nicht ungehindert ausbreiten und verursachen deshalb erhebliche Materialspannungen, die von der lokalen Verbindung auch in den mittleren Bereich der einzufügenden, dünnen Wand übertragen werden. Dort entstehen dadurch unerwünschte Verwerfungen und Oberflächeneindrückungen, die durch sogenannte „Frösche" bzw. „Schneider" ein lautes akustisches Dröhnen, eine reduzierte Bauteilsteifigkeit und ein minderwertiges, optisches Erscheinungsbild zur Folge haben. Insbesondere beim Karosseriebau von Schienen-, Bus- und Nutzfahrzeugen bei der Beplankung von Rahmenkonstruktionen mit gefügten Blechen müssen diese Verwerfungen und Oberflächeneindrückungen dann durch aufwändiges, persanalintensives Richten (mit Hilfe örtlicher, thermischer Behandlungen durch Setzen von heißen Punkten, verteilt über den gesamten Bereich der gefügten Bleche), wieder beseitigt werden. Trotzdem bleiben kleinere und unregelmäßige Oberflächeneindrückungen nach diesen thermischen Richtarbeiten zurück und beeinträchtigen ganz erheblich das optische Erscheinungsbild der Karosserie. Ein weiterer Nachteil von Karosserien mit widerstandspunktgeschweißten oder mechanisch gefügten Beplankungen besteht Kraftfahrzeugen darin, dass die fertig gefügte Rohkarosserie in einem Tauchbad der sogenannten KTL-Lackierung zunächst auf eine Temperatur von ca. 180°C erwärmt und unmittelbar danach wieder auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Da sich hierbei die gefügten Bleche aufgrund ihrer erheblich größeren spezifischen Oberflächen bei geringer Masse erheblich schneller als der Karosserierahmen mit seiner geringeren spezifischen Oberfläche bei großer Masse erwärmen bzw. abkühlen, wirken große Zug-/Scherkräfte auf die Verbindungspunkte wegen der unterschiedlichen Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten von Blech und Rahmen infolge kurzzeitig großer Temperaturdifferenzen und thermischer Spannungen. Deshalb muss die Anzahl der erforderlichen Fügepunkte erheblich höher sein, als es die Karosseriesteifigkeit des Fahrzeuges im Fahrbetrieb eigentlich erfordert. Analoges gilt auch bei PKW-Karosserien, insbesondere bei der Space-Frame-Bauweise, mit gefügten, dünnen Blechen. Beim Kleben dünner Wände auf Verstärkungsrahmen im Automobilbereich treten beim Erhitzen, Aushärten und Abkühlen der Klebeverbindung unvermeidbare Schrumpfungen im Kleber auf, die sowohl im Bereich der Klebeverbindung selbst als auch im großflächigen Bereich der dünnen Wand (zwischen den Klebestellen) Oberflächeneindrückungen hervorrufen, die insbesondere bei glatten, lackierten Oberflächen der dünnen Wand ganz erheblich stören.

Ähnliche Nachteile treten ferner in zahlreichen Bereichen auf, wo unvermeidbare, große und zugleich schnelle Temperaturdifferenzen, beispielsweise durch die Umgebung oder durch den Prozessablauf, erhebliche thermische Materialspannungen verursachen, die das Bauteil unnötig belasten. Beispiele hierfür sind Rahmenkonstruktionen mit gefügten, dünnen Wänden im Bereich der Luft- und Raumfahrt, wenn sich z.B. eine Raumfahrtkapsel in ihrer Umlaufbahn um die Erde innerhalb kurzer Zeit beim Übergang von der Sonneneinstrahlung in den Erdschatten um eine Temperaturdifferenz von etwa 150°C abkühlt und dann wieder erwärmt.

Alle diese technischen und wirtschaftlichen Nachteile haben offensichtlich mit dazu beigetragen, dass insbesondere im Bereich der Schienenfahrzeuge die herkömmlich geschweißte Stahl-Differentialbauweise gegenüber der Modul-Bauweise mit stranggepressten Aluminium-Profilen immer weniger zum Einsatz kommt.

Ein weiterer Nachteil von herkömmlich geschweißten Karosserieteilen, beispielsweise von Nutzfahrzeugen und Transportern und Maschineneinhausungen besteht darin, dass wegen der prozessbedingten Verwerfungen und Oberflächeneindrückungen bisher häufig keine oberflächenveredelten/lackierten, dünnen Ausgangsmaterialien – beispielsweise für komplette Dächer oder Wände – zum Einsatz kommen konnten. Das wäre aus Kosten- und umwelttechnischen Gründen sehr erstrebenswert.

Derartige Nachteile betreffen nicht nur das thermische Fügen (Schweißen) und das Kleben. Auch beim mechanischen Fügen von herkömmlichen, glatten, dünnen Wänden verschiedenster Art auf Rahmenkonstruktionen können Verwerfungen oder lokale Oberflächeneindrückungen auftreten, weil eine absolute Planlage der zu fügenden, dünnen Wand häufig nicht gegeben ist. Bereits beim Trennen/Schneiden, insbesondere dünner Edelstahlbleche, können lokale und globale Verwerfungen und Oberflächeneindrückungen auftreten. Derartige Verwerfungen oder Oberflächeneindrückungen sind insbesondere bei glatten und hochglanz-beschichteten, lackierten oder eloxierten, dünnen Wänden optisch so störend, dass bisher deshalb häufig erheblich dickere Wanddicken zu Einsatz kamen, um diese unerwünschten optischen Effekte zu kompensieren, als es die Bauteilsteifigkeit eigentlich erfordert hätte. Das mechanische Fügen dünner, vorverformter und versteifter Blechteile bereit noch erhebliche Schwierigkeiten, wenn hohe Festigkeiten der mechanischen Verbindung gefordert werden, weil bereits durch die primäre Umformung des zu fügenden Blechteils eine große Verfestigung des Blech-Werkstoffes stattfand (6. Paderborner Symposium Fügetechnik, 1998, Seite 41 bis 57).

Alle diese Nachteile stehen im krassen Gegensatz zu den begrenzten Ressourcen an Kraftstoffen und Werkstoffen, insbesondere im gesamten Verkehrsbereich, weshalb ganz allgemein ein zunehmender Bedarf an effektiveren Leichtbaukonstruktionen unter Beibehaltung der Bauteilsteifigkeit gefordert wird. Deshalb sind unnötig große Wanddicken unbedingt zu vermeiden, und statt dessen sind die Wanddicken von Bauteilen soweit wie möglich zu verringern.

Für Leicht-Bauteile aus dünnen Materialien kann eine Gewichtsreduzierung mit Hilfe von versteifend profilierten oder strukturierten, dünnen Wänden erfolgen. Jedoch treten beim Fügen von profilierten oder strukturierten, dünnen Wänden auf ebene Rahmenkonstruktionen häufig zusätzliche Schwierigkeiten auf, weil die Profilierungen oder Strukturen der zu fügenden, dünnen Wand im Bereich der Fügestelle lokal wieder eingedrückt werden müssen. Durch diese geometrische Einebnung kommt es zu einer lokalen Streckung der dünnen Wand in Richtung des ebenen Rahmens, wodurch noch zusätzlich störende Werkstoffspannungen auftreten. Diese durch das lokale Eindrücken der strukturierten Wand verursachten zusätzlich störenden Werkstoffspannungen können leider die durch die bereits oben genannten Fügeprozesse verursachten, störenden Werkstoffspannungen noch weiter verstärken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese genannten Schwierigkeiten durch ein Verfahren zu überwinden, wobei versteifend strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünne Wände durch mechanisches oder thermisches Fügen (Schweißen) oder/und durch Kleben mit einer Rahmenkonstruktion verbunden werden, ohne dass dabei Verwerfungen oder Oberflächeneindrückungen auftreten bzw. diese so reduziert werden, dass sie nicht mehr stören.

Soweit Beulstrukturen veröffentlicht sind, enthalten die Veröffentlichungen keinen Hinweis auf die Erfindung. In der deutschen Patentschrift DE 43 11 978 C1 wird ein Verfahren zur Beulverformung dünner Wände und Folien beschrieben, bei dem dünne Materialien oder Folien auf beabstandete Stützelemente aufgewickelt und von außen durch Überdruck in eine versetzte Beulstruktur mit viereckigen Beulfalten übergeführt wird. Ferner sind beulstrukturierte Materialbahnen bekannt, die regelmäßige, versetzte, vorzugsweise sechseckige, dreidimensionale Strukturen aus aneinandergereiht angeordneten Mulden und Falten aufweisen ( EP 0 693 008 B1 und EP 0 900 131 B1 ). Ferner sind beulstrukturierte Materialbahnen bekannt, die regelmäßige, versetzte, vorzugsweise wappenförmige oder tropfenförmige Strukturen aufweisen ( EP 0 888 208 B1 ).

Die beulstrukturierten, dünnen Materialien werden in der allgemeinen Umgangssprache und in neueren Veröffentlichungen auch „wölbstrukturierte" Materialien genannt, weil mit dem Begriff „Beule" in der Öffentlichkeit häufig noch das Versagen eines Bauteils durch das bekannte globale Beulen dünner Wände und Schalen verbunden wird. Das Beul- bzw. Wölbstrukturieren erzeugt auf Basis der Selbstorganisation nach dem Energieminimierungsprinzip kleine, regelmäßig versetzt angeordnete, mehrdimensionale Strukturen (im mm- und cm- Bereich als sogenannte „dissipative Strukturen"), die den Werkstoff und dessen Oberfläche nur ganz wenig beanspruchen und der dünnen, strukturierten Wand eine allseitig hohe Biege- und globale Beulsteifigkeit und weitere vorteilhafte Eigenschaften verleihen. Im Gegensatz dazu breiten sich beim globalen Beulversagen unerwünschte, großflächige Beulungen in der dünnen Wand aus. Diese werden hauptsächlich durch Schubkräfte in der ebenen, dünnen Wand ausgelöst, die dann in Biegekräfte übergehen und schließlich das Knickversagen des dünnwandigen Bauteils verursachen können.

Ferner sind mehrfach beulstrukturierte Materialbahnen bekannt, bei denen die Beulen zusätzlich mit kleineren Gegenbeulen versehen sind ( DE 196 34 244 A1 und DE 196 51 937 A1 ). Soweit diese Gegenbeulstrukturen veröffentlicht sind, enthalten die Veröffentlichungen keinen Hinweis auf die Erfindung. Ferner ist ein Verfahren bekannt, bei dem sich beulstrukturierte, dünne Materialbahnen mit einfachsten Stempeln oder Werkzeugen sekundär in eine 3D-Gestalt umformen lassen, ohne dass dabei neue, störende Falten entstehen ( DE 198 47 902.6 ). Schließlich ist ein Verfahren für die Herstellung einer metallischen Verkleidung thermisch belasteter, gekrümmter oder gerader Flächen bekannt, wobei sich das thermisch belastete, dünne, beulstrukturierte Material auf seiner Wandfläche seitlich gegen zusätzliche, äußere Wände abstützt ( DE 100 59 055.1 ). Über thermisch und mechanisch beanspruchte beulstrukturierte, dünne Wände, die mit einem Rahmen zu verbinden sind und die seitlich nicht zusätzlich abgestützt werden, ist jedoch bisher noch nichts bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die gravierenden Nachteile der thermischen und mechanischen Beanspruchung bei Verbindungen, wie mechanisches oder thermisches Fügen oder/und Kleben, von strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, dünnen Wänden mit einer ebenen Rahmenkonstruktion zu überwinden. Das wird mit dem Verfahren und den Maßnahmen des Oberbegriffes des Anspruches 1 erreicht.

Es wurde übenaschenderweise gefunden, dass sich mehrdimensional strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wände bei thermisch lokaler oder globaler Ausdehnungs- bzw. Schrumpfungsbehinderung problemlos fügen lassen, wenn die Wölbungen oder Falten der Strukturen im Bereich der Fügestelle teilweise wieder eingedrückt werden. Überraschenderweise tritt ferner sogar bei größeren und zugleich kurzzeitigen Temperaturunterschieden der fertig gefügten, dünnen Wand in dessen späteren Betrieb kein globales Beulversagen des Bauteils sowie kein Versagen der Fügeverbindung durch Zug-/Scherspannungen auf. Das besondere Merkmal dieses Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, dass sich die teilweise wieder eingedrückten Wölbungen oder Falten der mehrdimensionalen Strukturen, insbesondere Beulstrukturen, sogar im Fügebereich durch spannungsarme Biegedeformationen quasi wie ein Kompensator verhalten. Auf diese Weise werden lokale Verlängerungen bzw. Verkürzungen der gefügten, dünnen Wand, die infolge thermischer Ausdehnung (bei örtlicher Erwärmung) oder Schrumpfung (bei örtlicher Abkühlung) entstehen, durch den geometrischen Kompensationseffekt der nur teilweise wieder eingedrückten, spannungsarmen Beulstrukturen sanft aufgefangen. Ein weiteres Merkmal dieses Verfahrens besteht darin, dass verbleibende Restspannungen aus dem Fügebereich, insbesondere durch Biegedeformationen der angrenzenden, nicht gefügten, Strukturen, sanft aufgefangen werden. Eine weiteres Merkmal dieses Verfahrens besteht schließlich darin, dass immer noch verbleibende geringe Restspannungen, die bisher noch nicht aufgefangen wurden (insbesondere bei harten, d.h. wenig duktilen, Werkstoffen der dünnen Wand), nicht derartige Schubspannungen ergeben, dass ein globales Beulversagen der dünnen Wand auftritt. Die Ursache hierfür liegt darin, dass die beulstrukturierte, dünne Wand einerseits eine so große elastisch/plastische Flexibilität besitzt und gleichzeitig eine so große Biegesteifigkeit aufweist, dass ein Knicken (Instabilität mit globalem Beulversagen) der gefügten, dünnen Wand nicht auftritt.

Zusammenfassend werden die herkömmlichen Schwierigkeiten von thermisch und lokal mechanisch belasteten sowie gefügten, dünnen Wänden verschiedenster Art, die keine seitlichen Abstützungen auf ihren beiden Seiten besitzen, mit Hilfe von mehrdimensional strukturierten, vorzugsweise beulstrukturierten, dünnen Wänden überwunden. Das erfolgt sowohl durch die quasi kompensatorischen Effekte von lokal wieder eingedrückten und von nicht eingedrückten Beulstrukturen als auch durch die hohe Biegesteifigkeit beulstrukturierter, dünner Wände. Auf diese Weise werden neue, unerwünschte Falten oder Instabilitäten mit globalem Beulversagen der dünnen Wand sowie ein Reißen der Fügestelle zwischen der dünnen Wand und dem Rahmen vermieden.

Nach der Erfindung geschieht das durch das Verfahren mit den folgenden, einzelnen Maßnahmen, die synergetisch zusammenwirken:

a. Die mehrdimensional strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünne Wand wird insbesondere an den Wölbungen ihrer Strukturen im Bereich der Fügestelle lokal so eingedrückt, dass kleinere Gegenbeulen entstehen und auf diese Weise große Werkstoffspannungen (infolge des lokalen Eindrückens der strukturierten, dünnen Wand sowie infolge der thermischen Ausdehnungsbehinderung) durch die kompensatorische Wirkung dieser zusätzlichen Gegenbeulen und der angrenzenden, mehrdimensionalen Strukturen, vorzugsweise Beulstrukturen, bereits weitgehend aufgefangen werden.
b. Das mehrdimensional strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünne Material erhält durch die benachbarten, mehrdimensionalen Strukturen, vorzugsweise Beulstrukturen, die nicht lokal eingedrückt und nicht gefügt sind, eine elastisch/plastische Flexibilität weg von der Fügestelle in Richtung der strukturierten Materialwand. So werden Restspannungen aus dem Bereich der Fügestelle durch die umgebenden Strukturen der dünnen Wand weitgehend aufgefangen.
c. Die mehrdimensional strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünne Wand erhält durch möglichst tiefe Strukturen, die vorzugsweise energie- und werkstoffschonend nach dem Beulprinzip eingebracht werden, eine so große Biegesteifigkeit, dass mögliche, verbleibende Restspannungen keine Instabilität mit globalem Beulversagen der dünnen Wand hervorrufen.

Dieses Verfahren mit den genannten drei Maßnahmen bewirkt, dass die mit dem Rahmen verbundene, dünne Wand trotz thermischer und lokal mechanischer Belastung keine störenden Verwerfungen oder Oberflächeneindrückungen aufweist.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, dass für die Verbindung eine beulstrukturierte, dünne Wand aus Werkstoffen verschiedenster Art, wie Metall, Kunststoff, Faserverbundstoff sowie Pappe oder Papier, zum Einsatz kommt, wobei die Beulstrukturen der dünnen Wand auf der Basis einer Selbstorganisation entstehen. Hierbei ergibt sich das beste Ergebnis hinsichtlich spannungsarmer Verbindung, großer Strukturtiefe und zugleich geringster Plastifizierung des Werkstoffs. So lassen sich bei diesem Verfahren auch höchstfeste Werkstoffe, faserige Gewebe und sogar faserverstärkte Verbundmaterialien, die nur eine sehr geringe Dehnfähigkeit besitzen, einsetzten.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass für die Verbindung eine beulstrukturierte, dünne Wand zum Einsatz kommt, wobei die Beulstrukturen nicht auf Basis einer Selbstorganisation sondern aus seiner gekrümmten Gestalt heraus mit Hilfe beliebig vorgegebener Formwerkzeuge als polyedrische, z.B. hexagonale oder rhombische, Strukturen in die dünne Wand eingebracht werden. Hierbei ergibt sich bei einer Verbindung der dünnen Wand bereits ein reduziertes Ergebnis hinsichtlich spannungsarmer Verbindung, erzeugter Strukturtiefe und erforderlicher Plastifizierung des Werkstoffes. Deshalb lassen sich bei diesem Verfahren vorzugsweise nur duktile Werkstoffe einsetzten.

Schließlich besteht eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung darin, dass mit Hilfe von zwei mechanischen Formwerkzeugen (Matrize und Stempel) oder mit Hilfe eines mechanischen Formwerkzeuges und eines Wirkmediums (Kissen zur Druckerzeugung) aus einer ebenen Gestalt heraus, eine strukturierte, dünne Wand zum Einsatz kommt. Dabei werden beliebig geometrisch vorgegebene Strukturen, die auch eine polyedrische Gestalt aufweisen können, mechanisch in ein ebenes Ausgangsblech gepresst. Diese Art von Strukturieren kann dem Streck- bzw. Tiefziehen zugeordnet werden, und deshalb ergibt sich hierbei auch nur ein sehr vermindertes Ergebnis hinsichtlich spannungsarmer Verbindung, erzeugter Strukturtiefe und erforderlicher Plastifizierung des Werkstoffes. Da beim Streckziehen die Wanddicke der dünnen Wand erheblich reduziert wird, ist dieser mechanische Strukturierungsprozess ausschließlich für duktile Werkstoffe mit großer Dehnbarkeit anwendbar.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, dass mehrdimensional strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wände durch thermisches Fügen, vorzugsweise Widerstandpunktschweißen mit einer Rahmenkonstruktion verbunden werden. Hierbei werden vorzugsweise die Wölbungen der Strukturen, insbesondere der Beulstrukturen, vorzugsweise von ihrer konvexen Seite aus mit der Schweißelektrode, partiell zu einer kleineren Gegenbeule zusammengedrückt und mit dem Rahmen thermisch gefügt. Zusätzlich können so auch die Falten der strukturierten, dünnen Wand mit dem Rahmen thermisch gefügt werden. Es können aber auch alternativ die Mulden auf den Rahmen gefügt werden, indem die Schweißelektrode gegen die konkave Seite der Mulde drückt und diese dabei etwas einebnet. Dieses Verfahren ist vorzugsweise dann anwendbar, wenn dabei die zu fügende, dünne Wand und der Rahmen mit einer Zange, welche die Schweißelektrode enthält, zusammengedrückt werden kann.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass mehrdimensional strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wände durch thermisches Fügen, vorzugsweise Widerstandpunktschweißen mit einer Rahmenkonstruktion verbunden werden, ohne dass dabei eine Zange zu Einsatz kommt. Das ist beispielsweise beim Fügen von Blechen auf einen kompletten Karosserierahmen von Bussen der Fall, wobei kein Zangenzugriff möglich ist. Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung werden strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wände vor dem Fügen an ihren Rändern (Bereiche der späteren Fügestellen) lokal in der Weise wieder eingedrückt, dass kleine Gegenbeulen entstehen. Auf diese Weise liegen dann diese Gegenbeulen unmittelbar auf dem Rahmen an und werden dann mit geringer Andruckkraft gefügt.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird dieses lokale Eindrücken der Gegenbeulen unmittelbar in den Fügeprozess in der Weise integriert, dass beispielsweise in einer Vorrichtung mit Hilfe eines gefederten oder hydraulischen Druckstempels die lokale Gegenbeule in der dünnen Wand erzeugt wird und unmittelbar folgend die Schweißelektrode mit geringer Andrückkraft auf diese Gegenbeule drückt und dabei die Schweißverbindung durchführt. Auf diese oder ähnliche Weise kann mit Muskelkraft von einer Seite aus die dünne, strukturierte Wand mit einer kompletten Rahmenkonstruktion gefügt werden.

Dieses modifizierte Verfahren gilt in analoger Weise auch für das mechanische Fügen und für das Kleben.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass mehrdimensional strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wände durch mechanisches Fügen, vorzugsweise Clinchen, Stanznieten und Durchsetzfügen, mit einer Rahmenkonstruktion verbunden werden. Hierbei werden vorzugsweise die Mulden der Strukturen, insbesondere der Beulstrukturen, partiell auf den Rahmen gedrückt und dabei mechanisch gefügt.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass mehrdimensional strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wände durch Kleben mit dem Rahmen verbunden werden. Hierbei werden die Mulden und Falten der Strukturen an den Rändern des strukturierten Bleches, falls erforderlich, zunächst unter einer Presse teilweise wieder eingeebnet und dann durch Kleben mit dem Rahmen verbunden. So kann man Klebematerial einsparen. Dieser Vorgang kann auch in einem einzigen Arbeitsschritt erfolgen, wobei die Mulden und Falten der Beulstrukturen gleichzeitig teilweise wieder eingedrückt und durch Kleben mit dem Rahmen verbunden werden. So ergibt sich eine zugleich dichte Verbindung.

Schließlich besteht eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zum Fügen darin, dass mehrdimensional strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wände mit Hilfe einer Hybrid-Fügung, bestehend aus Schweißen, vorzugsweise Widerstandspunktschweißen, Löten und Kleben oder aus mechanischem Fügen und Kleben, mit der Rahmenkonstruktion verbunden werden. Hierbei entstehen hochfeste und zugleich dichte Verbindungen.

Alle diese fügetechnischen Maßnahmen betreffen nicht nur das Verbinden von strukturierten, insbesondere beulstrukturierten, dünnen Wänden mit einem steifen Rahmen sondern auch das Verbinden von strukturierten, dünnen Wänden mit glatten oder ebenfalls strukturierten, dünnen Wänden unterschiedlicher Wanddicke.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung für technische Einsatzgebiete besteht darin, dass mehrdimensional strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wände mit dem Karosserie-Rahmen von Bussen, Nutzfahrzeugen oder Schienenfahrzeugen vorzugsweise durch Widerstandspunktschweißen verbunden werden. Ein aufwändiges und personalintensives Richten der eingeschweißten Bleche ist nicht mehr erforderlich. Die Anzahl der Widerstandsschweißpunkte kann dabei reduziert werden, da bei der Erwärmung und Abkühlung der geschweißten Karosserie in der KTL-Lackierung (bei ca. 180°C) die Zug-/Scherkräfte, die auf die Fügepunkte einwirken, durch die elastisch plastische Flexibilität der strukturierten Wand weitgehend aufgefangen werden. In analoger Weise kann die Anzahl der mechanischen Fügepunkte, insbesondere beim Clinchen, Stanznieten und Durchsetzfügen, reduziert werden. So lassen sich Dächer, Seiten- und Trennwände, Bodenwände und Sitzbänke mit geringeren Kosten und geringerem Gewicht aus dünneren Wänden als bisher herstellen.

Analog können mehrdimensional strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünne Wände als Beplankungen von Space-Frame-Rahmenkonstruktionen, die von der Fa. Audi AG für Aluminium-Karosserien und von der Fa. ThyssenKrupp Stahl AG für „NSB"-Rahmen (New Steel Body) entwickelt wurden, und ferner für leichte und formsteife Trennwände verschiedenster Art, vorzugsweise im nicht sichtbaren Bereich, auch für Automobile eingesetzt werden.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens für technische Einsatzgebiete besteht darin, dass mehrdimensional strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wände im Bereich der Luft- und Raumfahrt, wo große und zugleich schnelle Temperaturdifferenzen extrem hohe thermische Werkstoffspannungen in dünnwandigen Bauteilen verursachen, zum Einsatz kommen. Die wesentlichen Vorteile ergeben sich insbesondere für zahlreiche Bauteile der Raumfahrt, beispielsweise gerade und gekrümmte, dünne Wände und thermische Einhausungen von Raumkapseln, Containern, Sonnensegeln und Fahrzeugen und Geräten für Planetenkörper, wobei insbesondere beim Umkreisen der Erde extreme Temperaturdifferenzen (Größenordnung ca. 150°C) in kurzer Zeit beim Übergang von der Sonneneinstrahlung in den Erdschatten auftreten.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens für technische Einsatzgebiete besteht darin, dass mehrdimensional strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wände im Bereich der Tieftemperaturtechnik, der Wärmetechnik, der Verfahrenstechnik und der Vakuumtechnik mit einer Rahmenkonstruktion gefügt werden, wo ebenfalls grosse Temperaturdifferenzen auftreten und gleichzeitig Material und Gewicht eingespart werden soll.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens für technische Einsatzgebiete besteht darin, dass mehrdimensional strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wände im Bereich der Architektur, des Bauwesens und des Designs ohne Verwerfungen und Oberflächeneindrückungen mit einer Rahmenkonstruktion verbunden werden können. Das betrifft beispielsweise gerade und gewölbte Decken, Trennwände, Verkleidungen, Türen, sowie Küchen- und Toilettenwände und Hausgeräte. Dabei sind vielfältige, dünnwandige Materialien, wie Metalle aller Art, Kunststoffe, faserverstärkte Materialien, Pappe und Papier einsetzbar.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens für technische Einsatzgebiete besteht darin, dass mehrdimensional strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wände in die bisher freien Ausschnitte des konventionellen Verstärkungsrahmens (unterhalb der Motorhaube) eingefügt werden. Das geschieht auf einfache Weise durch Widerstandspunktschweißen oder durch mechanisches Fügen oder auch durch Hybridfügen in Verbindung mit Kleben.

Der Erfindungsgedanke wird anschließend beispielhaft noch weiter erläutert:
1 zeigt in der oberen Darstellung (vor dem Fügeprozeß) beispielhaft einen Querschnitt durch ein beulstrukturiertes Blech 1, das mit seinen Mulden 2 so auf den Rahmen 3 gelegt wird, dass die Falten 4 des beulstrukturierten Bleches 1 auf dem Rahmen 3 bündig aufliegen. In der hinteren Reihe sind die Mulden des beulstrukturierten Bleches 1 zu sehen, die nicht mehr auf dem Rahmen 3 aufliegen. Der Stempel 5 wird mit der Kraft F gegen die Wölbung des beulstrukturierten Bleches 1 gedrückt, damit eine Gegenbeule 6 entsteht, die auf dem Rahmen 3 aufliegt (unterer Teil von 1) Anschließend wird an dieser Stelle mit Hilfe einer Schweißelektrode der Schweißpunkt in der Gegenbeule 6 gesetzt. Eine denkbare geometrische Verlängerung des strukturierten Bleches 1 in Richtung des Rahmens 3 in Kombination mit der erzeugten Gegenbeule 6 und der thermischen Ausdehnung des Bleches beim Fügen wirkt sich nicht nachteilig aus, weil diese geometrische Verlängerung des strukturierten Bleches 1 insbesondere durch lokale, spannungsarme Biegedeformationen der Mulde 2, der Gegenbeule 6 und der benachbarten Beulstrukturen, kompensiert wird. So werden Werkstoffspannungen in der Weise ausgeglichen, dass Verwerfungen und Oberflächeneindrückungen sowie Instabilitäten mit globalem Beulversagen der gefügten, dünnen Wand nicht entstehen.
Auch beim mechanischen Fügen entsteht beim Andrücken der Mulde 2 an den Rahmen 3 eine Einebnung bzw. eine Gegenbeule, an der das beulstrukturierte Blech 1 mit dem Rahmen 3 gefügt wird. So werden Materialspannungen durch eine ähnliche kompensatorische Wirkung, insbesondere durch Biegekräfte der Mulden 2, der Falten 4, der Gegenbeule 6 und der angrenzenden Beulstrukturen aufgefangen. Die mechanischen Fügepunkte an den Einebnungen bzw. Gegenbeulen 6 sind in der 1 nicht explizit dargestellt.
In 2 sind weitere Anordnungen von örtlichen Fügepunkten dargestellt: Im oberen Teil in 2 liegt das beulstrukturierte Blech 1 (vor dem Fügen) mit seinen Falten 4 auf dem Rahmen 3 bündig auf. Zusätzlich zu den Fügepunkten in den Gegenbeulen 6 werden auch weitere Fügepunkte 7 in den Beulfalten 4 angebracht. Durch diese Anordnung wird die Anzahl die Fügepunkte deutlich erhöht. Das bietet sich insbesondere bei großen Beulstrukturen an.
In 3 sind beispielhaft zwei Beulstrukturen in ihrer Aufsicht dargestellt: Der obere Teil von 3 zeigt sechseckige Beulstrukturen 8. Der untere Teil von 3 zeigt wappenförmige bzw. tropfenförmige Beulstrukturen 9. Diese Beulstrukturen haben als gemeinsames Merkmal, dass jeweils drei Falten zu einem Sternpunkt 10 zusammenlaufen. Hierdurch ergibt sich sowohl eine hohe, allseitige, elastisch/plastische Flexibilität der so strukturierten, dünnen Wand als auch eine hohe Biegesteifigkeit derselben. Die verwendeten Beulstrukturen sind bereits auf besonders werkstoff- und oberflächenschonende Weise entstanden.
In 4 ist beispielhaft eine weitere mehrdimensionale Struktur dargestellt, die nicht nach dem Beulprinzip entstanden ist. Beispielhaft werden ronden-förmige Strukturen 11 gezeigt, wobei jeweils vier Falten zu einem Sternpunkt 12 zusammenlaufen. Hierbei wurde der Werkstoff der dünnen Wand im Bereich des Sternpunktes 12 bereits erheblich mehr plastifiziert als bei den besonders werkstoffschonenden Beulstrukturen (3), bei denen nach dem Prinzip der Selbstorganisation lediglich drei Falten zu dem Sternpunkt 10 zusammenlaufen.
Auf der Basis der in 1 bis 4 dargestellten Fügeverbindungen von mehrdimensional strukturierten, insbesondere beulstrukturierten, dünnen Wänden, auch im Zusammenhang mit dem Klebefügen (in 1 bis 4 nicht explizit dargestellt), mit einem Rahmen ergeben sich zahlreiche Anwendungen von thermisch und mechanisch beanspruchten, strukturierten Wänden, die mit einem Rahmen verbunden werden, welche zwar im Text beschrieben, in den 1 bis 4 jedoch nicht explizit dargestellt sind.
Beispielhaft für eine konkrete technische Anwendung zeigt 5 schematisch einen herkömmlichen, inneren Verstärkungsrahmen 13 von einer Motorhaube (hier nicht expliziert dargestellt) mit bisher freien Ausschnitten 14 (oberer Teil in 5). Der mittlere Teil und der untere Teil in 5 zeigen die beiden Ausschnitte des Verstärkungsrahmens 13, in die nachträglich jeweils ein sechseckig-beulstrukturiertes Blech 1 mit Hilfe von Widerstandspunktschweißen 17 gefügt sind. Durch die symmetrisch sechseckige Beulstruktur finden sich nicht nur an geraden Rändern 15 (analog 1 und 2) sondern auch an gekrümmten Rändern 16 des beulstrukturierten Bleches 1 regelmäßig angeordnete, symmetrische Beulstrukturen, die durch Widerstandspunktschweißen bzw. durch mechanisches Fügen, Kleben oder auch durch Hybridfügen mit dem Verstärkungsrahmen 13 einfach nach dem Verfahren gemäß der Erfindung verbunden werden können. 5 zeigt beispielhaft, dass mehrdimensional, insbesondere beulstrukturierte, dünne Wände 1 sogar in geometrisch komplizierte Rahmenkonstruktionen verschiedenster Art gefügt werden können.

Claims

Verfahren zum Verbinden und Stabilisieren thermisch und mechanisch belasteter, mehrdimensional strukturierter, insbesondere beulstrukturierter, dünner Wände, wobei a. die strukturierte, insbesondere beulstrukturierte Wand vorzugsweise an ihren Strukturwölbungen im Bereich der Verbindungsstelle mit einem Rahmen lokal so eingedrückt und gefügt wird, dass Gegenbeulen entstehen und auf diese Weise die Werkstoffspannungen, die infolge des lokales Eindrückens und der thermischen Ausdehnungsbehinderung auftreten, durch die kompensatorische Wirkung dieser zusätzlichen Gegenbeulen bereits weitgehend aufgefangen werden und b. die angrenzenden, mehrdimensionalen Strukturen, vorzugsweise Beulstrukturen, die nicht lokal eingedrückt und nicht gefügt sind, eine elastisch/plastische Flexibilität von der Fügestelle in Richtung der strukturierten Wand erhalten und c. die mehrdimensional strukturierte, dünne Wand durch tiefe Strukturen, vorzugsweise Beulstrukturen, eine hohe Biegesteifigkeit erhält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Wand polyedrische Beulstrukturen mit vorzugsweise sechseckiger, wappen- oder tropfenförmiger oder versetzter viereckiger Gestalt nach dem Prinzip der Selbstorganisation erhält, wobei jeweils drei Falten zu einem Sternpunkt zusammenlaufen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Wand aus ihrer gekrümmten Gestalt heraus – mit Hilfe von Stützwerkzeugen auf der Innenseite der gekrümmten, dünnen Wand und Druckbeaufschlagung auf die Außenseite der gekrümmten, dünnen Wand – polyedrische, wie viereckige, sechseckige, wappen- oder tropfenförmige, achteckige oder rhombenförmige, Beulstrukturen erhält, die nicht nach dem Prinzip der Selbstorganisation entstehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Wand aus ihrer ebenen Gestalt heraus – mit Hilfe von zwei mechanischen Formwerkzeugen oder einem mechanischen Formwerkzeug und einem Wirkmedium – mehrdimensionale Strukturen, wie viereckige, sechseckige, wappen- oder tropfenförmige, achteckige oder rhombenförmige Strukturen erhält.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte, dünne Wand durch thermisches Fügen, wie Schweißen oder Löten, insbesondere Widerstandspunktschweißen, mit einem Rahmen oder mit einer weiteren strukturierten oder nicht strukturierten, dünnen Wand verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte, dünne Wand durch mechanisches Fügen, insbesondere Clinchen, Stanznieten oder Durchsetzfügen, mit einem Rahmen oder mit einer weiteren strukturierten oder nicht strukturierten, dünnen Wand verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte, dünne Wand durch Kleben mit einem Rahmen oder mit einer weiteren strukturierten oder nicht strukturierten, dünnen Wand verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturiere, dünne Wand durch Hybridfügen aus Schweißen und Kleben mit einem Rahmen oder mit einer weiteren strukturierten oder nicht strukturierten, dünnen Wand verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte, dünne Wand durch Hybridfügen aus mechanischem Fügen und Kleben mit einem Rahmen oder mit einer weiteren strukturierten oder nicht strukturierten, dünnen Wand verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wand in den Gegenbeulen mit einem Rahmen oder mit einer weiteren strukturierten oder nicht strukturierten, dünnen Wand verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wand in den Falten der Strukturen, vorzugsweise Beulfalten, mit einem Rahmen oder mit einer weiteren strukturierten oder nicht strukturierten, dünnen Wand verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte, dünne Wand an seinen zu fügenden Rändern, bereits in einem vorgeschalteten Arbeitsschritt, die lokalen Gegenbeulen mit Hilfe von gefederten oder pneumatischen Druckstempeln erhält.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, dünne Wand, die an der Fügestelle teilweise oder vollkommen wieder eingeebnet wurde, mit einem Rahmen oder mit einer weiteren strukturierten oder nicht strukturierten, dünnen Wand verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte, dünne Wand, die mit dem Rahmen gefügt ist, bei Raumtemperatur keine Oberflächeneindrückung und keine Instabilität mit globalem Beulverhalten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte, dünne Wand, die mit dem Rahmen gefügt ist, bei hoher oder bei tiefer Betriebstemperatur keine Oberflächeneindrückung und keine Instabilität mit globalem Beulverhalten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte, dünne Wand, die mit dem Rahmen gefügt ist, im Betrieb mit zeitlichen Temperaturschwankungen keine Oberflächeneindrückung und keine Instabilität mit globalem Beulverhalten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte, dünne Wand, die insbesondere mit einem Rahmen gefügt ist und anschließend in einer nachgeschalteten KTL-Lackierung oder in anderen Betriebsprozessen kurzzeitig oder wechselförmig thermisch belastet wird, keine zusätzlichen Fügepunkte infolge der thermischen Betriebsbeanspruchung erfordert.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrdimensional strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünne Wand, die beispielsweise mit einem Rahmen gefügt ist, in der Verkehrstechnik, insbesondere bei Rahmenbauweise, aus Stahl und Aluminium von Schienenfahrzeugen, Nutzfahrzeugen, Transportern, Schiffen und Containern, vorzugsweise für Seiten-, Trenn- und Rückwände, Dächer, Böden, Kofferraumbeplankungen und WC/Nasszellen, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrdimensional strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünne Wand, die beispielsweise mit einem Rahmen gefügt ist, in der Automobiltechnik für Rück-, Seiten und Trennwände, Dächer, Böden, vorzugsweise im nicht-sichtbaren Bereich, insbesondere bei der Space-Frame-Bauweise aus Stahl und Aluminium, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrdimensional strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünne Wand, die beispielsweise mit einem Rahmen gefügt ist, in der Luft- und Raumfahrtechnik, wobei große und kurzzeitige Temperaturschwankungen auftreten, insbesondere bei der Rahmenbauweise, aus Aluminium, Titan, Stahl und Magnesium von Luftfahrzeug- und Raumkapseln, Containern, Einhausungen, Verkleidungen, Trennwänden, Böden, Küchen, WC/Nasszellen, Raumfahrzeugen und Sonnensegeln eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrdimensional strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünne Wand, die beispielsweise mit einem Rahmen gefügt ist, in der Tieftemperatur-, Wärme-, Klima- und Lebensmitteltechnik, wobei sowohl sehr hohe als auch sehr tiefe Betriebstemperaturen auftreten, insbesondere bei der Rahmenbauweise, aus Edelstahl, Stahl, Aluminium und Titan, von Trenn-, Behälterwänden, runden und ebenen Kanälen und Wärmeaustauscherflächen eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrdimensional strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünne Wand, die beispielsweise mit einem Rahmen gefügt ist, in der Innen- und Außenarchitektur, Hausgeräten, Küchen und Möbeln sowie im Design, insbesondere für Verkleidungen, Decken, Seiten- oder Trennwände, Behälter, Container, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrdimensional strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünne Ward, die beispielsweise mit einem Rahmen gefügt ist, im Automobil- und Fahrzeugbereich für die versteifende Beplankung von Verstärkungsrahmen von Hauben und Seiten- und Trennwänden, vorzugsweise im nicht-sichtbaren Bereich, die eine komplexe Konstruktion aufweisen, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrdimensional strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünne Wand, die beispielsweise mit einem Rahmen oder mit einer weiteren dünnen Wand gefügt ist, aus Metallen aller Art, Kunststoff, Gewebefasern, faserverstärkte Verbundmaterialien, Pappe und Papier eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrdimensional strukturierte, insbesondere beulstrukturierte, dünne Wand, die mit einem Rahmen oder mit einer weiteren dünnen Wand gefügt ist, aus einem bereits beschichteten bzw. lackiertem Ausgangsmaterial besteht, eingesetzt wird.