DE102008052062A1

DE102008052062A1 - Verfahren zur Herstellung eines rahmenartigen Strukturbauteils

Info

Publication number: DE102008052062A1
Application number: DE200810052062
Authority: DE
Inventors: Dieter Jungert; Tassilo Gilbert; Harald Biersack
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2010-04-22
Also published as: JP5133959B2; CA2681791A1; JP2010094737A; CA2681791C

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines rahmenartigen Strukturbauteils (2) mit Öffnung (7), insbesondere einer Rückenlehnenstruktur oder einer Sitzgestellstruktur eines Fahrzeuges, unter Verwendung einer Leichtmetalllegierung mittels Gießen. Bei einem solchen Verfahren ist erfindungsgemäß folgendes vorgesehen: a. Zuführen der Metallschmelze zu mindestens zwei beheizten Schmelzezuführungen (11, 11), deren Schmelzeaustritte (12, 12) unmittelbar in einen Kanal einer Gussform münden, der der Aufnahme der Schmelze für das Strukturbauteil dient, b. Zuführen der Metallschmelze von den Schmelzezuführungen in den Kanal der Gussform, wobei Schmelzeströme im Kanal entgegengesetzt fließen. Das Verfahren ermöglicht die Erzeugung eines Strukturbauteils, das nach dem Gießen allenfalls unwesentlich nachbearbeitet werden muss und bei dem in definierten Bereichen des Rahmens erhöhte mechanische Kennwerte darstellbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines rahmenartigen Strukturbauteils mit Öffnung, insbesondere einer Rückenlehnenstruktur oder einer Sitzgestellstruktur eines Fahrzeugs, unter Verwendung einer Leichtmetalllegierung mittels Gießen.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 10 2004 062 946 A1 bekannt. Es dient der Herstellung eines Rückenlehnenrahmens eines Fahrzeugsitzes unter Verwendung einer Magnesiumlegierung. Hierbei wird geschmolzenes Metall mittels Formgießen in einen Gießtrichter gegossen, der in im Wesentlichen einer Mitte einer Form zur Herstellung des Lehnenrahmens derart eingebaut ist, dass das Metall in verschiedenen Richtungen in die Form verbreitet wird. Das geschmolzene Metall fließt mit einer Rate zwischen 4,5 m/s und 5,5 m/s unter einem tatsächlichen Druck von 500 bar bis 700 bar in die Form.
Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren, dass durch den mittigen Anschluss des Gießtrichters (Anguss) zwischen diesem und dem eigentlichen Lehnenrahmen nach dem Erkalten der Schmelze Stege entstehen, die als Abfallteile zu entfernen sind. Überdies ist aufgrund der Abfallstege an unterschiedlichsten Stellen des gegossenen Lehnenrahmens dessen Nachbearbeitung erforderlich. Des Weiteren ist von Nachteil, dass mit diesem Gießverfahren nicht gezielt Bereiche des Lehnenrahmens bezüglich der mechanischen Beanspruchbarkeit des Rahmens in bestimmten Bereichen optimiert werden können. Diese Optimierung ist insbesondere unter dem Aspekt der mechanischen Beanspruchung des Lehnenrahmens in einem Crashfall von Bedeutung.
In der US 6,513,878 B1 ist ein rahmenartiges Strukturbauteil mit Öffnung, konkret eine Lehnenstruktur eines Fahrzeugsitzes beschrieben. Diese Lehnenstruktur wird durch Gießen hergestellt, wobei ein Thixo-Schmelzverfahren zum Einspritzen einer Schmelze aus einer halb geschmolzenen Legierung mit geringem spezifischen Gewicht zur Anwendung gelangt.
In der EP 1 186 469 A1 ist eine Kopfstütze eines Fahrzeugsitzes beschrieben, wobei Teile der Metallstruktur mittels eines Thixomolding-Verfahrens hergestellt werden, unter Verwendung einer Magnesium- oder Aluminiumlegierung.
Aus der WO 97/04689 ist die Herstellung einer Lehnenstruktur und einer Sitzgestellstruktur eines Fahrzeugsitzes mittels Gießen bekannt, wobei der Metallkörper der Struktur in einem einzigen Vorgang mittels Druckguss hergestellt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass Strukturbauteile erzeugt werden können, die nach dem Gießen allenfalls unwesentlich nachbearbeitet werden müssen und bei denen in definierten Bereichen des Rahmens erhöhte mechanische Kennwerte darstellbar sind.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

a. Zuführen der Metallschmelze zu mindestens zwei beheizten Schmelzezuführungen, deren Schmelzeaustritte unmittelbar in einen Kanal einer Gussform münden, der der Aufnahme der Schmelze für das Strukturbauteil dient,
b. Zuführen der Metallschmelze von den Schmelzezuführungen in den Kanal der Gussform, wobei Schmelzeströme im Kanal entgegengesetzt fließen.

Wesentlich ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die besondere Temperaturführung. So wird die Schmelze bis zu ihrem Eintritt in den Kanal der Gussform erhitzt, womit sie in diesem Bereich nicht erstarrt. Es erstarrt somit nur das rahmenartige Strukturbauteil, womit Abfallmaterial entfällt und die Nacharbeit am Strukturbauteil auf ein Mindestmaß reduziert werden kann.
Aufgrund der beiden beheizten Schmelzezuführungen gelangt heiße Schmelze in den den Schmelzezuführungen benachbarten Bereich des Kanals der Gussform und es kühlt sich die Schmelze beim Fördern durch den Kanal langsam ab. Wegen der rahmenartigen Gestaltung des Strukturbauteils und der Anordnung mindestens zweier Schmelzezuführungen kann die Schmelze über die Schmelzezuführungen in diejenigen Bereiche des Kanals der Gussform ausgegeben werden, die den Bereichen des fertigen Strukturbauteils entsprechen, in denen das fertige Strukturbauteil einer erhöhten mechanischen Beanspruchung unterworfen ist. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um die seitlichen Rahmenteile des rahmenartigen Strukturbauteils, insbesondere, bei einer Sitzlehnenstruktur, um die seitlichen Rahmenteile, die benachbart Lageraufnahmen der Sitzlehnenstruktur zur schwenkbaren Aufnahme einer Sitzgestellstruktur angeordnet sind.
Durch die Anordnung der Schmelzezuführungen bezüglich des Kanals der Gussform und sich infolgedessen ergebenden heißen Schmelzezugangsstellen zum Kanal können die mechanischen Kennwerte des Endprodukts – rahmenartigen Strukturbauteils – gezielt an gewünschten Stellen gesteigert werden, indem die Schmelzezuführungen an den entsprechenden Bereichen ansetzen, die hohe Kräfte im Crash aufnehmen. Auch können Kaltfließstellen mit diesem Verfahren in definierte Bereiche gelegt werden. Damit kann kontrolliertes Versagen hervorgerufen werden. Die Wanddicke des rahmenartigen Strukturbauteils kann mit diesem Verfahren in Richtung angussfern gemildert werden, um die Masse des rahmenartigen Strukturbauteils weiter zu senken. Dies setzt voraus, dass genau diese Bereiche gering beansprucht sind. Ein solch eher gering beanspruchter Bereich einer Lehnenstruktur befindet sich beispielsweise im oberen hori zontalen Abschnitt der Lehnenstruktur, in dessen Bereich eine Kopfstütze im rahmenartigen Strukturbauteil gelagert ist.
Bei dem rahmenartigen Strukturbauteil handelt es sich insbesondere um einen geschlossenen Rahmen, der somit allseitig eine Öffnung des Strukturbauteils umschließt. Denkbar ist aber auch die Anwendung des Verfahrens bei einem rahmenartigen Strukturbauteil, das die Öffnung nur zwischen zwei seitlichen Bereichen des Strukturbauteils und einem diese beiden seitlichen Bereiche des Strukturbauteils verbindenden Bereich bildet.
Allen rahmenartigen Strukturbauteilen mit Öffnung ist gemeinsam, dass nach dem Zuführen der Metallschmelze von den Schmelzezuführungen in den Kanal der Gussform die Schmelzeströme im Kanal entgegengesetzt fließen. Diese Schmelzeströme, die aufeinander zu fließen, verbinden sich, wobei im Verbindungsbereich die Schmelze eine niedrigere Temperatur besitzt als im Bereich der Schmelzezuführungen. Demzufolge sind die Verbindungsbereiche besonders geeignet, um dort aufgrund geringerer mechanischer Kennwerte des rahmenartigen Strukturbauteils ein kontrolliertes Versagen hervorzurufen.
Bei einem rahmenartigen Strukturbauteil mit Öffnung, bei dem diese vollständig vom Strukturbauteil umgeben ist, wird das Strukturbauteil derart hergestellt, dass die Schmelze einem Ringkanal der Gussform über die Schmelzezuführungen zugeführt wird.
Die Schmelzezuführungen können unterschiedlich gestaltet sein. Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die jeweilige Schmelzezuführung eine Heißkanaldüse, die auch als Hotrunner bezeichnet wird, aufweist. Über diese Heißkanaldüse kann auf besonders effektive Art und Weise die Schmelze bis zum Eintritt in den Kanal der Guss form gezielt aufgeheizt werden. Hierdurch ist eine besonders gute Temperaturführung zum Kanal und im Kanal gewährleistet. Die kontrollierbare Düsentemperatur im Bereich des Düsenaustritts liegt damit direkt am Eintritt des rahmenartigen Strukturbauteils, betrachtet unter dem Aspekt des nach dem Gießen erkalteten, rahmenartigen Strukturbauteils. Es besteht aber durchaus auch die Möglichkeit, die Schmelzezuführungen als beheizte Angüsse der Gussform zu gestalten.
Sind besonders hohe Anforderungen an die Qualität des rahmenartigen Strukturbauteils unter dem Aspekt von an unterschiedlichen Stellen erhöhten mechanischen Kennwerten zu stellen, empfiehlt es sich, eine Vielzahl von Schmelzezuführungen vorzusehen, somit eine Vielzahl von Orten vorzusehen, an denen Schmelze mit hoher Temperatur unmittelbar in den Kanal der Gussform eintritt. Es werden vier Schmelzezuführungen in diesem Fall als zweckmäßig angesehen.
Insbesondere die Verwendung von Heißkanaldüsen in Verbindung mit einem Thixomolding- oder Thixocasting-Verfahren ermöglicht die Herstellung qualitativ besonders hochwertiger rahmenartiger Strukturbauteile. Diese Semi-Solid-Verfahren, bei denen die zu verarbeitende Legierung bis zu einer Übergangstemperatur zwischen fest und flüssig erhitzt wird und sich damit im thixotropen Zustand befindet, gewährleistet durch verringerte Viskosität des Materials unter Einwirkung von Scherkräften, dass die Schmelze sich besonders günstig, ausgehend von den Heißkanaldüsen, in abgewandte Bereiche des Kanals der Gussform ergießen kann, bis sich die entgegengesetzt vorwärts bewegenden Schmelzeströme kontaktieren.
Als Alternative bietet sich das Gießen des Strukturbauteils mittels Druckgießens an, wobei das Gießen insbesondere mittels Warmkammerdruckguss oder Kaltkammerdruckguss erfolgt. In jedem Fall ist zusätzlich auch noch eine Kombination mit Vakuumdruckguss möglich.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, ohne hierauf beschränkt zu sein. Es zeigt die 1 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Veranschaulicht ist in 1 eine Apparatur 1 zum Zuführen der Schmelze aus einer Magnesiumlegierung zu dem Kanal der Gussform, wobei diese Gussform nicht veranschaulicht ist, sondern das rahmenartige Strukturbauteil 2, das beim Gießen, somit dem Einleiten der Schmelze in einen Ringkanal der Gussform entsteht.
Bei dem rahmenartigen Strukturbauteil 2 handelt es sich um eine Rückenlehnenstruktur eines Sitzes, insbesondere eines Vordersitzes eines Personenkraftwagens, wobei die Lehnenstruktur durch seitliche Rahmenteile 3, ein diese verbindendes oberes Rahmenteil 4 und die Rahmenteile 3 verbindendes unteres Rahmenteil 5 gebildet ist. Die Rahmenteile 4 und 5 sind im Wesentlichen parallel angeordnet, wobei das obere Rahmenteil 4 Aufnahmen 6 zum Einstecken einer Kopfstütze aufweisen kann. Die Rahmenteile 3 sind vom Rahmenteil 4 divergierend angeordnet, so dass sich das Strukturbauteil 2 als Trapez darstellt, das Rahmenteil 4 oben nur geringfügig kürzer ist als das Rahmenteil 5. Zwischen den beiden Rahmenteilen 3 und den Rahmenteilen 4 und 5 ist eine Öffnung 7 gebildet. Diese dient bei dem fertig gestellten rahmenartigen Strukturbauteil 2 der Aufnahme einer Federung, insbesondere einer Lehnenfederung. Im Falle, dass das Strukturbauteil 2 eine Sitzgestellstruktur bildet, würde diese der Aufnahme einer Unterfederung dienen.
Die Apparatur 1 zum Zuführen der Schmelze weist ein Zuführrohr 9 mit Schmelzeeintritt 8 auf. Das Zuführrohr 9 ist mit zwei Zweigrohren 10 verbunden, so dass die durch das Zuführrohr 9 strömende Schmelze auf die beiden Zweigrohre 10 im gleichen Verhältnis aufgeteilt wird. Von den beiden Zweigrohren 10 gelangt die Schmelze in Heiß kanaldüsen 11, womit die durch das jeweilige Zweigrohr 10 strömende Schmelze im Bereich der diesem nachfolgenden Heißkanaldüse 11 auf eine kontrollierte Austrittstemperatur aufgeheizt oder näherungsweise gehalten wird. Der Austrittsbereich der Schmelze aus der jeweiligen Heißkanaldüse 11 ist mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet. Der Austrittsbereich 12 befindet sich in demjenigen Bereichen des Ringkanals der Gussform, der nach dem Gießvorgang den in der Gussform gebildeten Strukturbauteil 2 im Bereich des Rahmenteils 3 entspricht, und zwar näher zum Rahmenteil 5 beabstandet als zum Rahmenteil 4. Vom Austrittsbereich 12 der jeweiligen Heißkanaldüse 11 wird Schmelze gemäß dem Doppelpfeil A in Richtung des Rahmenteils 4 und in Richtung des Rahmenteils 5 gefördert. Die von den beiden Heißkanaldüsen 11 ausgegebenen Schmelzeteilströme treffen, bei niedriger Temperatur als der Austrittstemperatur der Schmelze in den Austrittsbereichen 12 der Heißkanaldüsen 11, im Bereich der Symmetrieachse des Strukturbauteils 2 zwischen den beiden Rahmenteilen 3 aufeinander, somit im Bereich der Aufnahmen 6 für die Kopfstütze zwischen diesen Aufnahmen 6 aufeinander bzw. auf halber Länge des Rahmenteils 5 aufeinander. Im Gießprozess, der vorzugsweise mittels Thixomolding-Verfahren erfolgt, weisen somit die Bereiche, in denen die Schmelze über die Heißkanaldüsen 11 in den Kanal eintritt, die besten mechanischen Kennwerte, insbesondere die höchste mechanische Festigkeit auf, während die stromabwärts des Schmelzzuflusses befindlichen Bereiche, insbesondere diejenigen im Bereich der Symmetrieachse des Strukturbauteils 2, eine geringere Festigkeit besitzen. Durch die Anordnung der Heißkanaldüsen 11, wobei durchaus auch mehr als zwei Heißkanaldüsen verwendet werden können, lässt sich dort, wo das gegossene rahmenartige Strukturbauteil den Heißkanaldüsen zugewandt ist, die mechanischen Kennwerte gezielt steigern, beispielsweise in Bereichen, in dem beim Crash hohe Kräfte aufzunehmen sind. Bei den Kaltfließstellen im Bereich der Symmetrieachse hingegen kann ein kontrolliertes Versagen hervorgerufen werden. Die Wanddicke des Strukturbauteils 2 kann mit diesem Verfahren in Richtung angussfern gemindert wer den, um die Masse des Bauteils zu senken. Voraussetzung ist, dass diese Bereiche gering beansprucht sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004062946 A1 [0002]
- US 6513878 B1 [0004]
- EP 1186469 A1 [0005]
- WO 97/04689 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines rahmenartigen Strukturbauteils (2) mit Öffnung (7), insbesondere einer Rückenlehnenstruktur oder einer Sitzgestellstruktur eines Fahrzeuges, unter Verwendung einer Leichtmetalllegierung mittels Gießen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a. Zuführen der Metallschmelze zu mindestens zwei beheizten Schmelzezuführungen (11, 11), deren Schmelzeaustritte (12, 12) unmittelbar in einen Kanal einer Gussform münden, der der Aufnahme der Schmelze für das Strukturbauteil dient, b. Zuführen der Metallschmelze von den Schmelzezuführungen in den Kanal der Gussform, wobei Schmelzeströme im Kanal entgegengesetzt fließen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze durch als Heißkanaldüsen (11, 11) oder beheizte Angüsse ausgebildete Schmelzezuführungen in den Kanal der Gussform ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze einem Ringkanal der Gussform über die Schmelzezuführungen zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze mittels zwei oder vier Schmelzezuführungen dem Kanal der Gussform zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießen des Strukturbauteils mittels eines Semi-Solid-Verfahrens, insbesondere mittels eines Thixomolding- oder Thixocasting-Verfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießen des Strukturbauteils mittels Druckgießens, insbesondere mittels Warm-Kaltkammerdruckguss oder Vakuumdruckguss erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze über die Schmelzezuführungen in diejenigen Bereiche des Kanals der Gussform ausgegeben werden, die den Bereichen des fertigen Strukturbauteils (2) entsprechen, in denen das fertige Strukturbauteil einer erhöhten mechanischen Beanspruchung unterworfen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze über die Schmelzezuführungen in diejenigen Bereiche des Kanals der Gussform ausgegeben wird, die den Bereichen des fertigen Strukturbauteils (2) entsprechen, die seitliche Rahmenteile (3, 3) des rahmenartigen Strukturbauteils bilden, insbesondere bei einer Rückenlehnenstruktur seitliche Rahmenteile bilden, die benachbart Lageraufnahmen der Rückenlehnenstruktur zur Aufnahme einer Sitzgestelltstruktur angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Kaltfließbereiche der Metallschmelze in definierte Bereiche des Strukturbauteils, die mechanisch gering beansprucht werden, gelegt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze, ausgehend von dem Schmelzeaustritt aus den Schmelzezu führungen, zumindest in Kanalbereichen der Gussform, die relativ große Querschnitte aufweisen und von dort in Kanalbereiche, die demgegenüber reduzierte Querschnitte aufweisen, fließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze im Wesentlichen aus Magnesium besteht.