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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils
umfassend mindestens ein erstes Blech und mindestens ein mit dem ersten
Blech zumindest teilweise stoffschlüssig verbundenes zweites
Blech, wobei das zweite Blech auf dem ersten Blech angeordnet wird,
zwischen beiden Blechen ein Klebstoff vorgesehen ist und beide Bleche
gemeinsam umgeformt werden. Darüber hinaus betrifft die
Erfindung ein Verbundbauteil umfassend ein erstes Blech und mindestens
ein zweites Blech, wobei das erste Blech und das zweite Blech durch
einen Klebstoff zumindest teilweise stoffschlüssig miteinander
verbunden und beide Bleche gemeinsam umgeformt worden sind.
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Zunehmend
wird bei Verbundbauteilen wie etwa Doppelblechen oder "gepatchten"
Blechen als Verbindungstechnik das Kleben verwendet, um beide Bleche
stoffschlüssig zu verbinden. Ein kostengünstiges
Verfahren zur Herstellung eines zweilagigen Verbundbauteils ist
beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 199 19 783 A1 bekannt,
bei welchem die einzelnen Verbundbauteile in einem ersten Verfahrensschritt
zumindest einseitig mit einem Klebstoff versehen und aneinandergelegt werden,
der Klebstoff durch gezielte Wärmezufuhr zumindest teilweise
ausgehärtet wird, so dass dieser einen teilvernetzten oder
teilausgehärteten Zustand erreicht. Dann wird die Wärmeeinwirkung
unterbrochen und das Blechteil umgeformt. Anschließend
erfolgt wiederum eine Erwärmung, so dass der Klebstoff
vollständig aushärtet. Neben dem Nachteil, dass bei
einer Unterbrechung der Wärmeeinwirkung die Vernetzung noch
teilweise weiter voranschreitet und ein definierter, teilvernetzter
Zustand nicht erreicht werden kann, bedeutet die zusätzliche
Wärmeeinwirkung nach dem Umformen einen erhöhten
Aufwand in Bezug auf Zeit und Energie.
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Hiervon
ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein entsprechendes Verbundbauteil
zur Verfügung zu stellen, welches mit besonders einfachen
Mitteln und durch wenige Arbeitsschritte hergestellt werden kann.
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Die
oben aufgezeigte Aufgabe wird gemäß der ersten
Lehre der vorliegenden Erfindung von einem gattungsgemäßen
Verfahren dadurch gelöst, dass ein durch mechanische Krafteinwirkung
aushärtbarer Klebstoff verwendet wird.
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Die
Erfindung macht sich die Eigenschaft der Verbundbauteile zu Nutze,
dass diese nach dem Aufeinanderlegen umgeformt werden, so dass mechanische
Kräfte auf beide Bleche wirken. Insbesondere werden die
umgeformten Bereiche, beispielsweise bei einem Ziehvorgang, besonderen
mechanischen Belastungen unterworfen, welche gleichzeitig als Aktivierungsenergie
des Klebstoffs genutzt werden kann, der dann erfindungsgemäß aushärtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt damit ohne
eine Erwärmung der Bleche aus und benötigt insofern
lediglich die Arbeitsschritte des Aufeinanderanordnens der zumindest
teilweise mit Klebstoff versehenen Blechoberflächen und
des Umformens beider Bleche. Die sonst übliche Wärmebehandlung
ist nicht mehr notwendig.
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Gemäß einer
ersten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht der verwendete Klebstoff aus mindestens einem
Binder und mindestens einem Härter, wobei der Härter
im Binder durch mechanische Krafteinwirkung auf die Bleche freigesetzt
werden kann. Solange der Härter noch nicht freigesetzt
ist, findet kein Aushärteprozess statt. Lediglich bei Krafteinwirkung
auf die Klebstoffschicht wird der Härter freigesetzt und über
eine chemische Reaktion vernetzten Härter und Binder miteinander.
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Eine
besonders einfache Möglichkeit den Härter erst
durch eine mechanische Krafteinwirkung freizusetzen wird gemäß einer
nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dadurch erreicht, dass mindestens ein Härter
in auftrennbaren Mikrokapseln eingeschlossen ist. Über
die Größe und Konsistenz der Mikrokapseln kann
nun eingestellt werden, ab welcher mechanischen Krafteinwirkung
die Aktivierung des Aushärteprozesses stattfinden soll,
da beispielsweise bei stärkerer Krafteinwirkung beim Umformen
der Abstand der Bleche zueinander verringert wird.
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Es
ist aber auch vorteilhaft, wenn mindestens zwei verschiedene Härter
vorgesehen sind, wobei der erste Härter eine geringe Festigkeit
und der mindestens zweite Härter eine hohe Festigkeit erzielt.
Durch die Verwendung von verschiedenen Härtersystemen ist
es beispielsweise möglich, durch gezielte Freisetzung des
ersten Härters eine relativ gute Fixierung der Bleche miteinander
zu erreichen, um den Umformvorgang zu vereinfachen. Anschließend kann
durch die Freisetzung des zweiten Härters, beispielsweise
während des Umformens, die geforderte Festigkeit der Verbindung
zwischen beiden Blechen erreicht werden.
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Eine
einfache Möglichkeit das Freisetzen der verschiedenen Härter
zu verschiedenen Zeitpunkten zu erreichen, besteht erfindungsgemäß darin,
dass der Härter, welcher eine geringe Festigkeit erzielt,
in auftrennbare Mikrokapseln eingeschlossen ist, welche einen größeren
Durchmesser als die Mikrokapseln des Härters mit höherer
Festigkeit aufweisen. Auf diese Weise werden beim Zusammenpressen der
beiden Bleche miteinander zunächst die großen Mikrokapseln
mit dem schwachen Härter freigesetzt, so dass beide Bleche
noch relativ flexibel zueinander fixiert werden können.
Beim anschließenden Umformen verringert sich der Abstand
beider Bleche, beispielsweise bei einem Ziehprozess, deutlich, so
dass auch der Härter, welcher eine höhere Festigkeit
erzielt, freigesetzt wird.
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Vorzugsweise
beträgt der Durchmesser der Mikrokapseln 1 bis 500 μm,
insbesondere 1 bis 300 μm, so dass der Klebstoff noch weiterhin
leicht verarbeitbar ist.
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Ist
der Härter, welcher eine höhere Festigkeit erzielt,
in Mikrokapseln mit einem Durchmesser kleiner 250 μm eingeschlossen,
so wird dieser Härter erst bei sehr geringen Abständen
beider Bleche, wie sie beispielsweise beim gemeinsamen Umformen auftreten,
freigesetzt.
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Der
Härter, welcher eine geringere Festigkeit erzielt, ist
vorzugsweise in Mikrokapseln größer 50 μm
eingeschlossen, so dass dieser spätestens bei einem Abstand
von 50 μm beider Bleche voneinander nahezu vollständig
freigesetzt ist.
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Eine
besonders einfache Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird dadurch erreicht, dass lediglich ein Härter
verwendet wird, welcher in verschieden großen Mikrokapseln
eingeschlossen ist. Die Verteilung der Größe der
Mikrokapseln, d. h. das Verhältnis der Anzahl der großen
Mikrokapseln zur Anzahl der kleinen Mikrokapseln, ermöglicht, auch
mit einem einzigen Härter zunächst nur eine leichte
Festigkeit der Klebeverbindung zu erzielen, indem nur wenige große
Kapseln durch die mechanische Krafteinwirkung aufgetrennt werden
und anschließend beim Umformen beider Bleche miteinander
der gesamte Härter freigesetzt wird, so dass insgesamt
die Klebeverbindung vollständig aushärtet.
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Gemäß einer
nächsten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt das Verbinden des ersten und zweiten Blechs in zwei
Schritten, wobei im ersten Schritt eine noch flexible Verbindung
zwischen beiden Blechen hergestellt wird. Dies hat den Vorteil,
dass eine Korrektur der Blechlage einerseits noch vor dem Umformen
ermöglicht wird, andererseits wird der Umformprozess durch
die Verbindung der Bleche nicht gestört. Beide Bleche können
sich bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens nahezu frei verformen.
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Gemäß einer
nächsten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt der zweite Schritt durch gemeinsames Umformen
der Bleche, wobei nach dem Umformen die endgültige Festigkeit
der Verbindung beider Bleche erreicht wird.
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Gemäß einer
zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte
Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verbundbauteil
dadurch gelöst, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Blech
zumindest teilweise ein die stoffschlüssige Verbindung
beider Bleche bewirkender, durch mechanische Krafteinwirkung aushärtbarer
Klebstoff vorgesehen ist.
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Wie
zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt, kann
das erfindungsgemäße Verbundbauteil auf besonders
einfache Art und Weise hergestellt werden und benötigt
sehr wenige Arbeitsschritte. Dennoch kann ein Verbundbauteil mit
hoher Festigkeit zur Verfügung gestellt werden.
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Eine
besonders gute Anpassung an die Belastungsbedingungen kann gemäß einer
weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbundbauteils
dadurch erreicht werden, dass beide Bleche aus dem gleichen Metall
oder aus unterschiedlichen Metallen, vorzugsweise aus identischen
oder unterschiedlichen Stählen oder Stahllegierungen bestehen.
Durch das besondere Fügeverfahren ist die freie Auswahl
bezüglich der verschiedenen Metalle gegeben, da beispielsweise
keine Rücksicht auf unterschiedliche Schmelzpunkte etc.
genommen werden muss.
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Die
erfindungsgemäßen Verbundbauteile werden vorzugsweise
im Fahrzeug-, Schiff- oder Flugzeugbau eingesetzt, da hier im besonderen Maße
teilflächig verstärkte Bleche, welche einer Umformung
unterzogen werden, eingesetzt werden. Es sind aber auch andere Verwendungsgebiete
des erfindungsgemäßen Verbundbauteils denkbar.
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Es
gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße
Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie das Verbundbauteil selbst
auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits
auf die den Patentansprüchen 1 und 12 nachfolgenden Patentansprüche
sowie auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in
Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
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1 in
einer Querschnittsansicht ein Blech eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verbundbauteils mit einer
Klebstoffschicht,
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2a),
b) die Durchführung eines ersten Verfahrensschritts gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
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3a),
b) in einer Querschnittsansicht die Durchführung des zweiten
Verfahrensschritts des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens aus 2a), b) und
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4 in
einer Querschnittsansicht das mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte
erfindungsgemäße Verbundbauteil.
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Die 1 zeigt
nun ein erstes Blech 1 auf welches ein Klebstoff 2 aufgetragen
ist. Der Klebstoff 2 besteht aus einem Binder 3 sowie
einem Härter 4, 5. Der Härter 4, 5 ist
in Mikrokapseln 6, 7 eingeschlossen, so dass der
Härter 4, 5 mit dem Binder 3 nicht
reagieren kann. Der Klebstoff 2 ist in diesem Zustand leicht
verarbeitbar. Wie aus der 1 deutlich wird,
weisen die Mikrokapseln unterschiedliche Größen
auf. Vorzugsweise haben die in den unterschiedlichen Mikrokapseln
vorgesehenen Härter unterschiedliche Festigkeiten. So kann
beispielsweise in den größeren Mikrokapseln 6 ein
erster Härter vorgesehen sein, welcher zusammen mit dem
Binder einen weichen/elastischen Klebstoff bildet. Der zweite Härter 4,
welcher in den kleineren Mikrokapseln 7 eingeschlossen
ist, kann so ausgebildet sein, dass dieser in Verbindung mit dem
Binder zu einer harten bzw. spröden Klebstoffschicht reagiert,
die eine besonders gute Festigkeit aufweist. Wie bereits zuvor erläutert, ist
aber auch vorstellbar bei einem Einsatz eines einzigen Härtersystems
in den verschiedenen Mikrokapseln, durch die Anzahl der unterschiedlichen
Mikrokapseln zueinander, bei der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, zunächst eine weiche, beispielsweise elastische
Verbindung zwischen beiden Blechen herzustellen und anschließend
durch die Freisetzung des gesamten Härters, auch des Härters
in den kleineren Mikrokapseln, während des Umformens beider
Bleche eine Verbindung zwischen beiden Blechen mit hoher Festigkeit
zu erzielen.
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Ein
erster Verfahrensschritt eines Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den 2a)
und b) dargestellt. Zunächst wird ein zweites Blech 8 auf
dem ersten Blech 1 angeordnet. Anschließend wird über
einen Stempel 10 eine Kraft F auf beide Bleche 8, 9 ausgeübt,
so dass die Dicke des Klebstoffs 2 zwischen beiden Blechen
reduziert wird. Abhängig von der Größe
der größeren Mikrokapseln 6 werden diese
ab einer bestimmten Dicke der Klebstoffschicht 2 gequetscht
und aufgetrennt, so dass der Härter 5 im Binder 3 freigesetzt wird.
Der Härter 5 hat nun die Eigenschaft, dass der Binder 3 nicht
vollständig aushärtet und eine weiche, beispielsweise
elastische Verbindung zwischen beiden Blechen 1, 8 hergestellt
wird. Um bei diesem Vorgang die Mikrokapseln 7 des zweiten
Härters 4 nicht zu beschädigen, muss
die Dicke der Klebstoffschicht 2 beim Aufeinanderpressen
bzw. Aufeinanderanordnen der beiden Bleche genau kontrolliert werden.
Auf einfache Weise kann dies beispielsweise, wie in 2a)
dargestellt, über Anschläge 9 geschehen, über
die die Dicke der Klebstoffschicht exakt einstellbar ist.
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2b)
zeigt nun die miteinander verbundenen Bleche 1 und 8 sowie
die dazwischenliegende Klebstoffschicht 2, in welcher lediglich
die kleineren Mikrokapseln 7 vorhanden sind. Der Härter 4,
welcher in den Mikrokapseln 7 eingeschlossen ist, ist bisher
noch nicht freigesetzt worden. Die Klebstoffschicht 2 ist
damit noch nicht vollständig vernetzt bzw. ausgehärtet.
Diese noch nicht ausgehärtete Klebstoffschicht 2 bietet
nun die Möglichkeit, die beiden Bleche 1, 8 umzuformen,
ohne dass die Umformung beider Bleche durch die Klebstoffschicht 2 wesentlich
beeinflusst wird. Beide Bleche 1, 8 können nahezu
frei verformen.
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Einen
zweiten Schritt des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens zeigt stark schematisiert 3a). Über
die Kraft F wird die üblicherweise beim gemeinsamen Umformen
beider Bleche 1, 8 auf diese einwirkende Kraft
angedeutet. Diese verringert die Dicke der Klebstoffschicht 2 weiter, bis
die Mikrokapseln 7 ebenfalls aufgetrennt werden und der
Härter 4 in der Klebstoffschicht 2 freigesetzt wird.
Durch die chemische Reaktion des Härters 4 mit
dem noch weichen bzw. elastischen Klebstoff 2 wird eine
hohe Festigkeit aufweisende Klebstoffschicht 2' erzeugt,
welche nunmehr vollständig ausgehärtet bzw. vernetzt
ist.
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Eine
Querschnittsansicht eines fertigen Verbundbauteils 11,
welches beispielsweise einen tiefgezogenen Bereich 12 aufweist,
ist in 4 dargestellt. Die Bleche 1 und 8 sind
durch eine dünne Klebstoffschicht 2, die vollständig
ausgehärtet ist, miteinander verbunden, so dass eine besonders
hohe Festigkeit erzielt wird.
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Anwendung
findet das soeben beschriebene Verfahren insbesondere bei der Herstellung
von "gepatchten" Blechen, bei welchen auf eine Grundplatine, beispielsweise
Blech 1, ein Patch, beispielsweise das Blech 2,
angeordnet und zunächst nur hinsichtlich seiner Lage fixiert
wird. Die Lagefixierung erfolgt durch die weiche bzw. elastische
Klebstoffschicht zwischen der Grundplatine und dem Patch. Durch das
zweistufige Verfahren kann insbesondere gewährleistet werden,
dass zunächst das Patch exakt auf der Grundplatine fixiert
und angeordnet werden kann, so dass beispielsweise ein Transport
ohne wesentliche Änderung der Lage des Patches auf der Grundplatine
erfolgen kann. Anschließend erfolgt die Umformung des Patches
zusammen mit der Grundplatine unmittelbar vor der Herstellung des
fertigen Verbundbauteils.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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