DE102010025963A1

DE102010025963A1 - Verfahren zur umformtechnischen Herstellung von Halbzeugen mit lokal variierenden bzw. einstellbaren Verbundeigenschaften, entsprechend hergestellte Halbzeuge sowie Verwendung entsprechender Halbzeuge

Info

Publication number: DE102010025963A1
Application number: DE201010025963
Authority: DE
Inventors: Werner Homberg; Jens Dau
Original assignee: Universitaet Paderborn
Current assignee: Universitaet Paderborn
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur umformtechnischen Herstellung hybrider Halbzeuge (2, 3) mit lokal variierenden bzw. einstellbaren Verbundeigenschaften. Die Halbzeuge (2, 3) werden dazu aus zwei oder mehr Einzelblechen (2, 3) gleicher oder unterschiedlicher metallischer Werkstoffe, welche erfindungsgemäß in einem inkrementellen bzw. schrittweise ausgeführten Prozess, punkt-, linienförmig oder flächig miteinander verbunden – wobei der Verbund nicht über die gesamte Bauteilfläche ausgeführt werden muss. Über eine definierte Prozessführung ist dabei die gezielte Beeinflussung der Verbundeigenschaften möglich, so dass Halbzeuge (2, 3) mit belastungsangepassten Eigenschaften herstellbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur umformtechnischen Herstellung von Halbzeugen mit Verbundeigenschaften gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie entsprechend hergestellte Halbzeuge gemäß Anspruch 20 sowie Verwendung entsprechender Halbzeuge gemäß Anspruch 22.
Zur Erfüllung komplexer Bauteileigenschaften werden zunehmend Verbundwerkstoffe eingesetzt, bei denen die Eigenschaften miteinander verbundener Werkstoffe kombiniert werden und dadurch ein verbessertes Bauteilverhalten erreicht werden kann. So werden insbesondere auch im Bereich der Bauteilherstellung von Blechbauteilen zunehmend Materialien verwendet, die sich aus zweilagigen oder auch aus mehrlagigen Halbzeugen zusammen setzen und die durch umformende Fertigungsverfahren in ihre letztendliche Form gebracht werden. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung von zweilagigen Blechen aus unterschiedlichen Materialschichten bei der Innenhochdruckumformung von Karosseriestrukturen, bei denen aus einem zwei- oder mehrlagigen blechförmigen Ausgangsmaterial räumliche Karosseriestrukturen hergestellt werden. Dabei werden schon bei der Herstellung der zwei- oder mehrlagigen blechförmigen Ausgangsmaterialien viele Eigenschaften der späteren räumlichen Bauteile vorgegeben und der Herstellung der zwei- oder mehrlagigen blechförmigen Ausgangsmaterialien kommt daher hohe technologische, aber auch wirtschaftliche Bedeutung zu. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Verbindung der einzelnen Lagen der zwei- oder mehrlagigen blechförmigen Ausgangsmaterialien miteinander. Neben einer Verklebung oder auch schmelzschweißtechnisch stoffschlüssigen Verbindung der Lagen miteinander ist auch eine umformtechnisch stoffschlüssige Herstellung der Verbindung möglich.
Ein wesentliches Wirkprinzip zur umformtechnischen Herstellung stoffschlüssiger metallischer Verbindungen derartiger zwei- oder mehrlagiger blechförmiger Ausgangsmaterialien basiert auf dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung und daraus möglich werdenden Adhäsions- bzw. Diffusionsverbindung der Ausgangsmaterialien miteinander. Durch plastische Deformation der geschichteten Ausgangsmaterialien brechen oberflächennahe Schichten auf, wodurch die darunter liegenden Grundwerkstoffe direkt in Kontakt treten können, als Voraussetzung für eine adhäsive Verbindung miteinander. Durch nachgelagerte Wärmebehandlungsprozesse können zusätzlich in den Randschichten der Bleche thermisch aktivierte Diffusionsprozesse ausgeführt werden, um eine Verbesserung der Verbindungsqualität zwischen den geschichteten Ausgangsmaterialien zu erreichen.
Dieses Wirkprinzip wird auch bei bekannten Fügeverfahren zur Verbindung von metallischen Blechen, wie dem Kaltpressschweißen oder dem Walzplattieren angewandt. Das Kaltpressschweißen kommt dabei beispielsweise zum wärmearmen Fügen einzelner Fügepunkte mit lokal wirkenden Stempeln (einzeln oder über das Bauteil verteilt) bzw. rollenförmigen Werkzeugen für die Herstellung linienförmiger Verbindungen zum Einsatz. Vorteilhaft sind dabei vergleichsweise geringe Werkzeugkosten, welche auch einen Kleinserieneinsatz ermöglichen.
Zur Herstellung flächig verbundener Blechhalbzeuge aus gleichen oder auch unterschiedlichen Werkstoffen, werden in der industriellen Praxis Plattierverfahren und hier insbesondere kontinuierliche Walzplattierprozesse eingesetzt. Damit sind mehrlagige Blechhalbzeuge mit guten homogenen Verbundeigenschaften in großer Ausbringung möglich. Mit einer speziellen Vorgehensweise, wie sie beispielsweise im Forschungsprojekt P565 der FOSTA am Institut für Umformtechnik und Leichtbau der Technischen Universität Dortmund untersucht wurde, ist mit diesem Verfahren neben der homogenen Verbundausbildung auch die Herstellung von partiellen Plattierungen möglich. Dabei wird durch die Verwendung einer Trennschicht z. B. in Form von Trennfolien oder aufgedruckten Schichten aus Trennmittel (z. B. einer Graphit-Suspension) in definierten Bereichen des blechförmigen Halbzeuges eine definierte Auftrennung der Verbindung der zu verbindenden metallischen Bleche des Blechverbundes erreicht. Alternativ können für den partiellen Auftrag von Folien die in EP 0 493 595 A1 dargestellten Methoden angeführt werden. Charakteristisch dabei ist, dass Folien durch Schweißen auf einem Trägermaterial angeheftet, durch ein umlaufendes Messer zugeschnitten und in einem Walzprozess plattiert werden.
Die Verfahren aus dem Stand der Technik zeigen, dass einerseits Blechverbunde mit partiellen Verbindungspunkten und geringem Investitionsaufwand, sowie auf der anderen Seite Blechverbunde mit flächiger intermetallischer Verbindung hergestellt werden können, welche jedoch prozessbedingt in großen Mengen hergestellt werden müssen und hohe Umformkräfte erfordern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Herstellungsverfahren zur umformtechnischen Herstellung von insbesondere blechförmigen Halbzeugen aus einer Anordnung von zwei oder mehreren übereinander angeordneten blechförmigen Ausgangsmaterialien vorzugsweise unterschiedlicher Eigenschaften sowie entsprechend hergestellte Halbzeuge anzugeben, mit dem entsprechende Halbzeuge auch schon in kleineren Stückzahlen wirtschaftlich und in hoher technologischer Qualität und ggf. lokal auch unterschiedlich einstellbaren Eigenschaften hergestellt werden können.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 bzw. hinsichtlich des Halbzeugs aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 20 und hinsichtlich der Verwendung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 22 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung, insbesondere blechförmiger Halbzeuge aus einer Anordnung von zwei oder mehreren übereinander angeordneten blechförmigen Ausgangsmaterialien vorzugsweise unterschiedlicher Eigenschaften und/oder Geometrie, insbesondere Dicke, mittels Druckumformverfahren. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfinderischer Weise weiter entwickelt, dass die Ausgangsmaterialien in die gewünschte flächige Zuordnung zueinander gebracht und die einander zugeordneten Ausgangsmaterialien anschließend mit einer Abfolge inkrementeller Umformungen mittels mindestens einem Umformwerkzeug mit einer jeweils nur lokal wirkenden Umformung ganz oder teilflächig adhäsiv miteinander verbunden werden. Durch die jeweils nur lokal wirkende Umformung werden die Ausgangsmaterialien in dem von der jeweiligen Umformung betroffenen Bereich der Wirkung des Umformwerkzeugs lokal derart verformt, dass sie in diesem Bereich adhäsiv miteinander verbunden werden. Werden nun eine Reihe derartiger lokal wirkender Umformungen nacheinander dadurch ausgeführt, dass das Umformwerkzeug relativ zu den Ausgangsmaterialien für jede Umformung jeweils etwas anders positioniert wird, so werden nach und nach Teilflächen im Bereich der Berührung zwischen den Ausgangsmaterialien verformt und adhäsiv aneinander festgelegt, wodurch nacheinander die gesamte Fläche der Berührung zwischen den Ausgangsmaterialien oder auch nur Teilbereiche dieser Fläche zwischen den Ausgangsmaterialien dauerhaft miteinander verbunden werden. Hierdurch ist es möglich, selektiv diejenigen Bereiche der Berührung zwischen den Ausgangsmaterialien umzuformen, in denen die Ausgangsmaterialien miteinander verbunden werden sollen, andere Flächenbereiche der Berührung zwischen den Ausgangsmaterialien jedoch nicht oder anders umzuformen und dadurch die adhäsive Wirkung zwischen den Ausgangsmaterialien nahezu punktgenau zu beeinflussen. Es können bildlich gesprochen dadurch Muster einer adhäsiven Verbindung zwischen den Ausgangsmaterialien geschaffen werden, die etwa abgestimmt sind auf eine spätere Belastung oder den Einsatzbereich eines derart hergestellten Verbundbauteils. Durch die jeweils nur im Verhältnis zu der Gesamtfläche der Berührung zwischen den Ausgangsmaterialien geringe Fläche der lokalen Umformzone sind die Umformkräfte für die Umformung in dieser Umformzone auch nur gering, so dass die zur Umformung notwendigen Umformwerkzeuge wesentlich einfacher und weniger massiv als bei einer kompletten Umformung der Ausgangsmaterialien über ihre gesamte Berührungsfläche ausgestaltet werden können. Hierdurch und durch die Flexibilität der sukzessiven Umformung der Ausgangsmaterialien ist die vorgeschlagene Art der Herstellung entsprechender Verbundbauteile besonders wirtschaftlich und gleichzeitig technologisch hochwertig. Durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer Umformwerkzeuge mit gleichzeitiger lokaler Umformung in mehreren verschiedenen Teilflächen der Ausgangsmaterialien ist es auch denkbar, eine Beschleunigung der sukzessiven Bearbeitung der Gesamtfläche der Ausgangsmaterialien zu erreichen.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Umformvorgang der Ausgangsmaterialien bei jeder lokal wirkenden Umformung in der Zone der Einwirkung des Umformwerkzeugs die Ausgangsmaterialien im wesentlichen gleichmäßig innerhalb der Umformzone umformt. In dem unmittelbaren Einwirkungsbereich des Umformwerkzeugs wird bei jeder der sukzessive ausgeführten, lokal wirkenden Umformungen die Umformung der Ausgangsmaterialien im wesentlichen in sich homogen ausgeführt (leichte Unterschiede der Verbindungseigenschaften durch ungleichmäßiges Umformungsverhalten können durch entsprechende Überlappungen der lokalen Umformzonen kompensiert werden), so dass von einer im wesentlichen gleichmäßigen Qualität der Umformung in jedem Teilbereich der Ausgangsmaterialien ausgegangen werden kann. Durch die sukzessive Ausführung entsprechender lokal wirkender Umformungen und eine hierfür vorteilhaft vorsehbare Überlappung der jeweiligen lokal wirkenden Umformungen kann auch gewährleistet werden, dass trotz der sukzessiven Ausführung der einzelnen Umformungen großflächigere Bereiche der Ausgangsmaterialien ebenfalls gleichmäßig umgeformt und damit gleichmäßige Werkstückeigenschaften des erzeugten Halbzeugs erreicht werden. Anders herum kann durch Ausnutzung unvermeidbarer oder bewusst eingebrachter Unterschiede der lokalen Umformungseigenschaften ein vorteilhaftes Bauteilverhalten erreicht werden.
In einer ersten Ausgestaltung ist es denkbar, dass die jeweils lokal wirkende Druckumformung mit einheitlichen Verbindungseigenschaften zwischen den Ausgangsmaterialien über die ganze Verbindungsfläche oder wesentliche Bereiche der Verbindungsfläche der Ausgangsmaterialien durchgeführt wird. Hierdurch können auch großflächigere Umformungen entsprechend groß gestalteter Ausgangsmaterialien durchgeführt werden, die in sich homogene Werkstückeigenschaften des derart hergestellten Verbundbauteils aufweisen. Dies ist etwa vorteilhaft für Halbzeuge oder daraus hergestellte Verbundbauteile mit gleichmäßigen Belastungen über der gesamten Bauteiloberfläche oder Belastungen, deren Angriffspunkt nicht eindeutig festgelegt ist.
In einer anderen Ausgestaltung ist es aber auch denkbar, dass die jeweils lokal wirkende Druckumformung mit über die Verbindungsfläche lokal variierenden Verbindungseigenschaften zwischen den Ausgangsmaterialien durchgeführt wird. Hierdurch können etwa in Bereichen, in denen eine besonders hohe adhäsive Wirkung zwischen den Ausgangsmaterialien erzeugt werden soll, andere Umformungseigenschaften als in Bereichen erzeugt werden, in denen die adhäsive Wirkung nicht oder weniger benötigt wird. So ist es beispielsweise denkbar, zur Herstellung von Halbzeugen für das Innenhochdruckumformen einzelne Bereiche der Kontaktfläche zwischen den Ausgangsmaterialien gar nicht oder nur schwach adhäsiv miteinander zu verbinden, so dass später in diesen Bereichen die gewünschten Hohlformen erzeugt werden können, wohingegen zum Beispiel randseitig bzw. die späteren Hohlformbereiche umgebend entsprechende Verbindungen mit hoher Adhäsion benötigt werden. Durch eine entsprechende Steuerung der Umformung können daher genau diese Bereiche aus der Gesamtfläche der Berührung zwischen den Ausgangsmaterialien passend ausgebildet werden. Entsprechend kann ein lokal schwächerer Verbund bei der Handhabung oder zur Gestaltung des Werkstoffflusses bei nachfolgenden Umformoperationen sinnvoll sein, der z. B. bei nachgelagerten Innenhochdruckumformungen gezielt zum Aufschälen der Lagen in diesen Bereichen genutzt werden kann. Hierbei ist es weiterhin hilfreich, dass durch eine inkrementelle Aneinanderreihung jeweils lokal wirkender Druckumformungen punktförmige und/oder linienförmige und/oder flächige Verbindungsbereiche zwischen den Ausgangsmaterialien hergestellt werden können, in denen die adhäsive Verbindung zwischen den Ausgangsmaterialien die gewünschten Werte aufweist. Diese flächige Aufteilung gleichzeitig auch mit einer unterschiedlichen Umformung im Hinblick auf die Festigkeit der adhäsiven Verbindung zwischen den Ausgangsmaterialien zur Herstellung des Halbzeugs erlaubt eine weitgehend anpassbare und technologisch hohe Ansprüche erfüllende Gestaltung späterer aus dem Halbzeug hergestellter Verbundbauteile. So ist es beispielsweise denkbar, dass benachbart zu den lokal umgeformten Verbindungsbereichen zwischen den Ausgangsmaterialien Bereiche erzeugt werden, in denen die Ausgangsmaterialien nicht oder in einem anderen Maße miteinander verbunden sind. Die Wirkung der adhäsive Verbindung zwischen den Ausgangsmaterialien kann durch eine entsprechende Gestaltung der lokalen Umformung zielgenau gesteuert werden.
Von besonderem Vorteil ist es, dass der Verbund der Ausgangsmaterialien durch eine schrittweise oder mehrhubige oder inkrementelle Umformung entsteht, bei der das mindestens eine Umformwerkzeug jeweils nur lokal im Eingriff mit den Ausgangsmaterialien ist und somit je einzelner Umformung nur im Bereich einer vorzugsweise kleinen Teilfläche der Gesamtfläche der Ausgangsmaterialien eine Verbindung zwischen den Ausgangsmaterialien erzeugt. Die gesamte herzustellende Verbindung zwischen den Ausgangsmaterialien wird hierdurch bildlich gesprochen in viele kleine einzelne Umformungen zerlegt und nacheinander ausgeführt, wobei je nach verwendeter Umformtechnik entweder einzelne Hübe einer Umformpresse oder auch Walzbearbeitungen in einer ggf. auch exzentrisch arbeitenden Walze oder dergleichen nacheinander und sich möglicherweise teilweise überlappend ausgeführt werden. Durch die Anordnung der gewünschten Gesamtfläche der Verbindung zwischen den Ausgangsmaterialien und durch ein wiederholtes Ausführen der einzelnen Umformungen entsteht nacheinander genau dort eine entsprechende adhäsive Verbindung zwischen den Ausgangsmaterialien, an denen diese konstruktiv oder belastungsorientiert für das erzeugte Halbzeug oder ein daraus hergestelltes Verbundbauteil notwendig ist.
Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung das mindestens eine Umformwerkzeug (oder in kinematischer Umkehr auch das Halbzeug) zwischen den einzelnen lokalen Umformungen jeweils neu schon umgeformte Bereiche überdeckend oder nicht überdeckend relativ zu den Ausgangsmaterialien positioniert und/oder orientiert werden, so dass es entweder möglich ist, einzelne punktuelle Verformungen der Ausgangsmaterialien getrennt von anderen punktuellen Verformungen herzustellen oder durch Überdeckungen zwischen den sukzessive ausgeführten Umformungen dafür zu sorgen, dass auch größere Flächenbereiche der Ausgangsmaterialien adhäsiv miteinander verbunden werden. Die Lage der adhäsiv miteinander verbundenen Teilflächen der Ausgangsmaterialien kann durch die Bewegung des Umformwerkzeugs und/oder der Ausgangsmaterialien relativ zueinander einfach gesteuert werden. Hierbei ist weiterhin denkbar, dass das mindestens eine Umformwerkzeug während der Positionierbewegung relativ zu den Ausgangsmaterialien den Kontakt zwischen Umformwerkzeug und Ausgangsmaterialien nicht oder teilweise oder ganz unterbricht, wodurch die Umformung je nach Kinematik und Werkzeuggeometrie beeinflusst werden kann. So besteht etwa bei einem punktuellen Verformen mit einem Prägestempel oder dergleichen zwischen den einzelnen Hüben des Prägestempels in der Regel kein Kontakt zwischen Prägestempel und Ausgangsmaterialien, wohingegen bei einem etwa pilgerschrittmäßigen Walzen der Kontakt zwischen Walze und Ausgangsmaterialien komplett oder während einzelner Teilbewegungen aufrechterhalten bleibt.
Insbesondere ist es denkbar, dass als Druckumformverfahren Prägeverfahren und/oder Stauchverfahren und/oder Walzverfahren eingesetzt werden, durch die die erforderliche Oberflächenvergrößerung und das in Kontakt bringen zur Herstellung einer Adhäsionswirkung zwischen den Ausgangsmaterialien erfolgt. Es soll weiterhin betont werden, dass weitere Druckumformverfahren zur Durchführung des Erfindungsgemäßenverfahrens geeignet und gedacht sind, die hier nicht ausdrücklich aufgeführt werden. Bei der Verwendung von Prägeverfahren oder Stauchverfahren wird dabei die Umformung der Ausgangsmaterialien als eine Aneinanderreihung von Einzelprägevorgängen oder Einzelstauchvorgängen ausgeführt, bei einem Walzen hingegen kann die Umformung der Ausgangsmaterialien als ein pilgerndes und/oder diskontinuierliches Walzen ausgeführt werden. Sowohl durch die Beeinflussung der eigentlichen Umformung durch Steuerung der Werkzeugbewegung als auch durch die Relativbewegungen zwischen Umformwerkzeug und Ausgangsmaterialien zwischen den einzelnen Umformungen kann die Umformung und damit das adhäsive Verhalten zwischen den Ausgangsmaterialien in weiten Grenzen beeinflusst werden.
Für die Sicherstellung des adhäsiven Kontaktes zwischen den Ausgangsmaterialien nach der Umformung ist es von Vorteil, wenn die Kontaktflächen zwischen den zwei oder mehreren übereinander angeordneten blechförmigen Ausgangsmaterialien vor der Umformung vorbehandelt werden. Ein derartiges Vorbehandeln der Kontaktflächen kann etwa durch jeweils einseitiges Reinigen der Oberflächen und/oder eine mechanische Vorbehandlung, insbesondere ein Bürsten oder Sandstrahlen, erfolgen, das grundsätzlich aus dem Bereich des Kaltpressschweißens bekannt ist.
Weiterhin ist es denkbar, dass während oder nach der jeweils lokalen Umformung der Ausgangsmaterialien die Ausgangsmaterialien lokal oder insgesamt mindestens einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um durch Diffusionsprozesse zwischen den Ausgangsmaterialien eine Erhöhung der Adhäsion zu erreichen. Eine solche Wärmebehandlung dient zur Auslösung und zum Ablaufen von Diffusionsprozessen zwischen den sich berührenden und adhäsiv aneinander festgelegten Ausgangsmaterialien, wodurch die adhäsive Anhaftung der Flächenbereiche aneinander wesentlich verbessert werden kann.
Hierbei kann ebenfalls die jeweils lokale oder die gesamte Umformung der Ausgangsmaterialien alternativ auch unter Schutzgasatmosphäre ausgeführt werden, um die negative Wirkung von Luftsauerstoff bei der adhäsiven Verbindung der Ausgangsmaterialien oder auch bei der Wärmebehandlung zu minimieren.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Halbzeug, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem zwei oder mehrere übereinander angeordnete blechförmige Ausgangsmaterialien ganzflächig oder teilflächig durch lokal wirkende Umformung mit einer Abfolge inkrementeller Umformungen mittels mindestens einem Umformwerkzeug mit einer jeweils nur lokal wirkenden Umformung ganz oder teilflächig adhäsiv miteinander verbunden sind. Ein derartiges Halbzeug kann so gestaltet werden, dass die Verbindungsbereiche zwischen den Ausgangsmaterialien derart angeordnet sind, dass das Halbzeug nach einer späteren Umformung ein belastungsangepasstes Werkstoffverhalten aufweist.
Weiterhin sind von der Erfindung verschiedene Anwendungen derartig hergestellter Halbzeuge mit umfasst. So ist es beispielsweise denkbar, dass ein gemäß Anspruch 1 hergestelltes Halbzeug zur Herstellung von Leichtbaustrukturen, von Halbzeugen für Hohlstrukturen, insbesondere mit komplexen Geometrien oder auch von Halbzeugen zur Herstellung von Strukturen genutzt werden kann, in denen ein gezieltes Versagen oder Auftrennen des Verbundes der Ausgangsmaterialien des Halbzeuges zu einer optimal hohen Energieaufnahme bei einer Verformung erfolgt, vorzugsweise bei unzulässiger Überlastung oder im Crashfall etwa einer Autokarosserie. Es versteht sich von selbst, dass entsprechend hergestellte Halbzeuge für eine Vielzahl weiterer Anwendungen geeignet und gedacht sein kann, die hier nicht ausführlich aufgeführt werden. Gleichwohl sind derartige Anwendungen ebenfalls von der Lehre der vorliegenden Erfindung mit umfasst.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Halbzeuge zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:
1a – eine Anordnung zweier ebener blechförmiger Ausgangsmaterialien überdeckend übereinander vor der Umformung zu einem Halbzeug,
1b – eine schematische Darstellung des Beginns einer Umformung der Ausgangsmaterialien des Halbzeuges gemäß 1 in einer Werkzeuganordnung mit stauchender Bearbeitung zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug,
1c – weitere Station des Ablaufs der Bearbeitung gemäß 1b, 1d – Endzustand der Bearbeitung gemäß 1b,
1e – umgeformtes Halbzeug im Endzustand der Bearbeitung gemäß 1b,
1f – eine andere Ausgestaltung eines umgeformten Halbzeugs im Endzustand der Bearbeitung gemäß 1b,
1g – eine weitere Ausgestaltung eines umgeformten Halbzeugs im Endzustand der Bearbeitung,
2 – eine schematische Darstellung des Beginns einer Umformung der Ausgangsmaterialien des Halbzeuges gemäß 1 in einer Werkzeuganordnung mit pilgerschrittmäßig walzender Bearbeitung zwischen walzenförmigem Oberwerkzeug und walzenförmigem Unterwerkzeug,
3 – weitere Station des Ablaufs der Bearbeitung gemäß 2.
in der 1 ist in einer schematischer Darstellung ein Halbzeug 1 aus zwei ebenen, blechförmigen Ausgangsmaterialien 2, 3 dargestellt, wobei die Ausgangsmaterialien 2, 3 übereinander angeordnet sind und sich in einem potentiellen Verbindungsbereich überdecken. Die Ausgangsmaterialien 2, 3 können insbesondere aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen und auch unterschiedliche Dicke aufweisen, ebenfalls es möglich, dass mehr als zwei Ausgangsmaterialien 2, 3 übereinander angeordnet werden. Die Ausgangsmaterialien 2, 3 werden in nachfolgend noch näher beschriebener Weise durch lokale umformende Bearbeitungen miteinander adhäsiv verbunden. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Flächen der Ausgangsmaterialien 2, 3, die in der 1a aufeinander zu liegen kommen, vorbehandelt werden, etwa gesandstrahlt oder auf sonstige Art gereinigt werden, da hierdurch die adhäsive Verbindung zwischen den sich berührenden Flächen der Ausgangsmaterialien 2, 3 verbessert werden kann.
In den 1b bis 1d sind verschiedene Stationen einer Umformung des Halbzeugs 1 gemäß der 1a dargestellt, wobei die Umformung durch eine Vielzahl von einzelnen Hüben einer nicht weiter dargestellten Presse durchgeführt wird, in die ein Umformwerkzeug bestehend aus zwei Grundplatten 6 mit dazwischen angeordnetem Oberstempel 4 und Unterstempel 5 eingebaut ist, zwischen denen das Halbzeug 1 entlang der Vorschubrichtungen 12 relativ bewegt werden kann. Das Oberwerkzeug mit dem Oberstempel 4 führt dabei Hubbewegungen in Richtung des Pfeiles 9 aufgrund der Hübe der Presse aus. Befindet sich ein Teil des Halbzeugs 1 zwischen Oberwerkzeug 4 und Unterwerkzeug 5, so werden die Ausgangsmaterialien 2, 3 des Halbzeugs 1 im Wirkungsbereich der Stempel 4, 5 lokal verformt, wobei die Dicke der Ausgangsmaterialien 2, 3 lokal abnimmt und hierdurch im grundsätzlich bekannterweise adhäsive Kräfte zwischen den Ausgangsmaterialien 2, 3 hervorgerufen werden und zu einer Festlegung der beiden Ausgangsmaterialien 2, 3 aneinander im Bereich der Einwirkung der Umformkräfte zwischen den Stempeln 4, 5 führen. Über die Herstellung einer gleichmäßig oder auch ungleichmäßig starken Verformung können die Verbindungseigenschaften bzw. die Qualität der Verbindung der Ausgangsmaterialien 2, 3 gezielt eingestellt werden.
Werden nun viele einzelne Hübe der Presse mit der jeweils lokalen Verformung der Ausgangsmaterialien 2, 3 durchgeführt und dabei die Ausgangsmaterialien 2, 3 entlang der Vorschubrichtungen 12 zwischen den Stempeln 4, 5 bewegt, so kann ein Halbzeug 1 entstehen, dass in ganz bestimmter Weise verformte Bereiche 7 und nicht verformte Bereiche 8 aufweist, wobei in den verformten Bereichen 7 die adhäsive Verbindung zwischen Ausgangsmaterialien 2, 3 hergestellt wird und in den nicht verformten Bereichen 8 keine adhäsive Verbindung der Ausgangsmaterialien 2, 3 entsteht. Dies kann man zum einen erkennen in den 1c und 1d, in denen in den verformten Bereichen 7, die aus einer Vielzahl von sich überlappenden lokalen Verformungsbereichen 11 der einzelnen Hübe der Presse zusammengesetzt werden, die Dicke der Ausgangsmaterialien 2, 3 abgenommen hat und damit die verformte Dicke der Ausgangsmaterialien 2', 3' erreicht hat. Eine entsprechende Ausgestaltung eines Halbzeugs 1 mit verformten Bereichen 7 und nicht verformten Bereichen nach einer Bearbeitung gemäß den 1b bis 1d ist in der 1e noch einmal vergrößert dargestellt.
Es ist allerdings auch denkbar, dass eine andere Gestaltung der verformten Bereiche 7 und der nicht verformten Bereiche 8 des Halbzeugs 1 durch eine entsprechend andere Führung der Ausgangsmaterialien 2, 3 zwischen den Stempeln 4, 5 hervorgerufen wird, wie dies beispielsweise in den 1f oder 1g zu erkennen ist. Hierbei ist die Fläche der Verbindung zwischen den Ausgangsmaterialien 2, 3 im verformten Bereich 7 der 1f insgesamt größer als bei der Gestaltung des Halbzeugs 1 gemäß 1e. Es versteht sich weiterhin, dass die verformten Bereiche 7 beliebige geometrische Konfigurationen wie z. B. in der 1g nur im Innenbereich des Halbzeugs 1 angeordnete verformte Bereiche 7 dargestellt annehmen können, insbesondere auch eine Mehrzahl oder sogar Vielzahl verformter Bereiche 7 durch nicht verformte Bereiche 8 voneinander getrennt innerhalb des Halbzeuges 1 angeordnet werden können. Die möglichen Geometrie in der verformten Bereiche 7 des Halbzeuges 1 hängt lediglich von der Führung der Ausgangsmaterialien 2, 3 zwischen den Stempeln 4, 5 sowie der Ausgestaltung der Stempelformen ab.
In den 2 und 3 ist eine andere Ausgestaltung einer walzenden Bearbeitung eines Halbzeugs 1 aus zwei Ausgangsmaterialien 2, 3 zu erkennen, bei der die Umformwerkzeuge aus zwei in gabelartigen Lagern 11 rotierenden, pilgerschrittmäßig arbeitenden und exzentrisch gelagerten Walzen 4, 5 bestehen, die eine exzentrisch rotierende Bewegung entlang der Pfeile 10 ausführen können. Hierbei werden die Ausgangsmaterialien 2, 3 entlang einer Linie walzend bearbeitet und damit in ihrer Dicke reduziert und dadurch in schon beschriebener Weise adhäsiv aneinander festgelegt. Abhängig von der Führung der Bewegung der Ausgangsmaterialien 2, 3 in Vorschubrichtung 12 entstehen damit einzelne verformte Bereiche 7 und nicht verformte Bereiche 8 des Halbzeugs 1 mit der schon beschriebenen adhäsiven Verbindung der Ausgangsmaterialien 2, 3 in den verformten Bereichen 7.
Neben den zuvor beschriebenen Vorteilen entsprechend hergestellter Halbzeuge 1 können für mögliche Anwender folgende positive Eigenschaften wichtig sein:

– kleine und einfach gestaltete Werkzeugkomponenten
– partielle Verbindung von mehrlagigen Blechen sind möglich
– geringe Prozesskräfte ermöglichen die Ausführung mit kleinen Vorrichtungen bzw. Maschinen und damit niedrige Investitionskosten
– gleichermaßen auf Pressen, Walzanlagen, aber auch portabel, wie beispielsweise an einem Industrieroboter, einsetzbar
– die Herstellung von Bauteilen ist in nahezu beliebiger Größe möglich

Damit ist insbesondere eine Herstellung von Blechverbunden mit anwendungsangepassten Eigenschaften für weiterverarbeitende Fertigungsprozesse und/oder Bauteile möglich, weiterhin wird eine Überwindung von Restriktionen bzgl. der Geometrie, Größe und Zusammensetzung bei der Herstellung von plattiertem Material erreicht, so dass die Herstellung von Blechverbunden auch in Klein- und Kleinstserien wirtschaftlich möglich wird.
Bezugszeichenliste

1: Halbzeug
2: Ausgangsmaterial
3: Ausgangsmaterial
4: Oberwerkzeug
5: Unterwerkzeug
6: Grundplatten
7: verformter Bereich
8: nicht verformter Bereich
9: Hubrichtung
10: Drehrichtung
11: Umformzone/verformte Teilfläche
12: Vorschubbewegung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0493595 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung, insbesondere blechförmiger Halbzeuge (1) aus einer Anordnung von zwei oder mehreren übereinander angeordneten blechförmigen Ausgangsmaterialien (2, 3) vorzugsweise unterschiedlicher Eigenschaften und/oder Geometrie, insbesondere Dicke, mittels Druckumformverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsmaterialien (2, 3) in die gewünschte flächige Zuordnung zueinander gebracht und die einander zugeordneten Ausgangsmaterialien (2, 3) anschließend mit einer Abfolge inkrementeller Umformungen mittels mindestens einem Umformwerkzeug (4, 5) mit einer jeweils nur lokal wirkenden Umformung (11) ganz oder teilflächig adhäsiv miteinander verbunden werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformvorgang der Ausgangsmaterialien (2, 3) bei jeder lokal wirkenden Umformung in der Zone (7) der Einwirkung des Umformwerkzeugs (4, 5) die Ausgangsmaterialien (2, 3) im wesentlichen gleichmäßig innerhalb der Umformzone (11) umformt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils lokal wirkende Druckumformung mit einheitlichen Verbindungseigenschaften zwischen den Ausgangsmaterialien (2, 3) über die ganze Verbindungsfläche (7) der Ausgangsmaterialien (2, 3) oder wesentliche Bereiche der Verbindungsfläche (7) der Ausgangsmaterialien (2, 3) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils lokal wirkende Druckumformung mit über die Verbindungsfläche (7) lokal variierenden Verbindungseigenschaften zwischen den Ausgangsmaterialien (2, 3) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine inkrementelle Aneinanderreihung jeweils lokal wirkender Druckumformungen (11) punktförmige und/oder linienförmige und/oder flächige Verbindungsbereiche (7) zwischen den Ausgangsmaterialien (2, 3) hergestellt werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu den lokal umgeformten Verbindungsbereichen (11) zwischen den Ausgangsmaterialien (2, 3) Bereiche (8) erzeugt werden, in denen die Ausgangsmaterialien (2, 3) nicht oder in einem anderen Maße miteinander verbunden sind.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund der Ausgangsmaterialien (2, 3) durch eine schrittweise oder mehrhubige oder inkrementelle Umformung (11) entsteht, bei der das mindestens eine Umformwerkzeug (4, 5) jeweils nur lokal im Eingriff mit den Ausgangsmaterialien (2, 3) ist und somit je einzelner Umformung nur im Bereich einer vorzugsweise kleinen Teilfläche (11) der Gesamtfläche der Ausgangsmaterialien (2, 3) eine Verbindung zwischen den Ausgangsmaterialien (2, 3) erzeugt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Gesamtfläche der Verbindung zwischen den Ausgangsmaterialien (2, 3) durch ein wiederholtes Ausführen der einzelnen Umformungen (11) entsteht.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Umformwerkzeug (4, 5) zwischen den einzelnen lokalen Umformungen (11) jeweils neu überdeckend oder nicht überdeckend relativ zu den Ausgangsmaterialien (2, 3) positioniert und/oder orientiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass während der Positionierbewegung (12) des mindestens einen Umformwerkzeugs (4, 5) relativ zu den Ausgangsmaterialien (2, 3) der Kontakt zwischen Umformwerkzeug (4, 5) und Ausgangsmaterialien (2, 3) nicht oder teilweise oder ganz unterbrochen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckumformverfahren Prägeverfahren und/oder Stauchverfahren und/oder Walzverfahren eingesetzt werden, durch die die erforderliche Oberflächenvergrößerung und das in Kontakt bringen zur Herstellung einer Adhäsionswirkung zwischen den Ausgangsmaterialien (2, 3) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Umformwerkzeug (4, 5) stempelförmig oder walzenförmig ausgebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine walzenförmige Umformwerkzeug (4, 5) zentrisch oder exzentrisch gelagert wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung der Ausgangsmaterialien (2, 3) als eine Aneinanderreihung von Einzelprägevorgängen oder Einzelstauchvorgängen ausgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung der Ausgangsmaterialien (2, 3) als ein pilgerndes und/oder diskontinuierliches Walzen ausgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen zwischen den zwei oder mehreren übereinander angeordneten blechförmigen Ausgangsmaterialien (2, 3) vor der Umformung vorbehandelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen durch jeweils einseitiges Reinigen der Oberflächen und/oder eine mechanische Vorbehandlung, insbesondere ein Bürsten oder Sandstrahlen, behandelt werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während oder nach der jeweils lokalen Umformung der Ausgangsmaterialien (2, 3) die Ausgangsmaterialien (2, 3) lokal oder insgesamt mindestens einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um durch Diffusionsprozesse zwischen den Ausgangsmaterialien (2, 3) eine Erhöhung der Adhäsion zu erreichen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils lokale oder die gesamte Umformung der Ausgangsmaterialien (2, 3) unter Schutzgasatmosphäre ausgeführt wird.
Halbzeug, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem zwei oder mehrere übereinander angeordnete blechförmige Ausgangsmaterialien (2, 3) ganzflächig oder teilflächig durch lokal wirkende Umformung mit einer Abfolge inkrementeller Umformungen (11) mittels mindestens einem Umformwerkzeug (4, 5) mit einer jeweils nur lokal wirkenden Umformung (11) ganz oder teilflächig adhäsiv miteinander verbunden sind.
Halbzeug gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbereiche (7) zwischen den Ausgangsmaterialien (2, 3) derart angeordnet sind, dass das Halbzeug (1) nach einer späteren Umformung ein belastungsangepasstes Werkstoffverhalten aufweist.
Verwendung eines gemäß Anspruch 1 hergestellten Halbzeuges (1) zur Herstellung von Leichtbaustrukturen.
Verwendung eines gemäß Anspruch 1 hergestellten Halbzeuges (1) zur Herstellung von Halbzeugen (1) für Hohlstrukturen, insbesondere mit komplexen Geometrien.
Verwendung eines gemäß Anspruch 1 hergestellten Halbzeuges (1) zur Herstellung von Strukturen, in denen ein gezieltes Versagen oder Auftrennen des Verbundes der Ausgangsmaterialien (2, 3) des Halbzeuges (1) zu einer optimal hohen Energieaufnahme bei einer Verformung erfolgt, vorzugsweise bei unzulässiger Überlastung oder im Crashfall.