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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils einer Kraftfahrzeugkarosserie gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Durch die
DE 102 46 164 A1 zählt ein Verfahren zum Herstellen von Strukturbauteilen mit unterschiedlicher Wanddicke zum Stand der Technik. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines Metallbandes, welches durch abschnittsweises, flexibles Walzen umgeformt wird. Nach dem Walzen der Metallbänder werden Platinen aus dem Band ausgeschnitten. Die ausgeschnittenen Platinen werden in einem Warmformprozess zur gewünschten Form umgeformt und durch eine abschließende Umformung direkt im Werkzeug gehärtet. Bevor die Platinen zugeschnitten werden, wird das Band markiert, um die unterschiedlichen Wanddicken genau positionieren zu können. Ein Nachteil bei diesem Verfahren ist die hohe Verschnittrate.
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Die
DE 10 2004 023 058 B4 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Karosseriebauteils für ein Fahrzeug, bestehend aus zwei Platinen, wobei die erste Platine einen stark belasteten Bereich aufweist, der mittels der zweiten Platine als Verstärkungsteil verstärkt wird. Mindestens eine der Platinen ist strukturiert und zwischen den Platinen befindet sich eine Zwischenschicht, deren Material in einzelne Strukturierungen der strukturierten Platine eingedrückt wird, um eine formschlüssige Verbindung mit der strukturierten Platine zu erlangen. Ein Nachteil hierbei ist, dass die Strukturierung der Platine zusätzliche Verfahrensschritte erfordert und mitunter auch relativ komplizierte und aufwändige Konfigurationen diese erschweren.
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Durch die
DE 10 2005 038 488 A1 zählt ein Verstärkungsblech, welches für eine B-Säule einer Fahrzeugkarosserie vorgesehen ist, zum Stand der Technik. Das Verstärkungsblech erstreckt sich über die gesamte Höhe der Fahrzeugsäule und besteht aus einem umgeformten Tailored Rolled Blank. Der Materialeinsatz bei der Fertigung ist durch die großen Verstärkungsbleche relativ hoch.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils einer Kraftfahrzeugkarosserie aufzuzeigen, bei weichem der fertigungstechnisch aufzubringende Materialeinsatz weiter reduziert werden kann.
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Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
- a) Zuschneiden eines Grundbauteils aus einer Metallplatine;
- b) Zuschneiden eines im Wesentlichen rechteckigen Patches aus einer Metallplatine;
- c) Walzen des zugeschnittenen Patches zur Ausbildung unterschiedlicher Dickenbereiche;
- d) Verbinden des ausgeschnittenen Grundbauteils mit dem ausgeschnittenen Patch,
- e) wobei das Grundbauteil mit dem Patch gemeinsam umgeformt wird oder
- f) das Patch und das Grundbauteil vor dem Verbinden einzeln umgeformt werden.
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Das Patch wird vorzugsweise stoffschlüssig durch Löten und/oder Schweißen und/oder Kleben mit dem Grundbauteil verbunden. Das Grundbauteil und das Patch liegen im umgeformten Zustand flächig, insbesondere vollflächig aneinander an. Das Patch hat gezielt die Aufgabe, das Grundbauteil in besonders hochbelasteten Bereichen zu verstärken, wobei die Verstärkung nicht gleichmäßig erfolgt, sondern in Abhängigkeit von der Dickenverteilung des Patches, bei welchem es sich gewissermaßen um ein Tailored Rolled Patch handelt.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass das Patch aus einer Metallplatine gleich bleibender Dicke zugeschnitten wird und erst im nächsten Verfahrensschritt zur Ausbildung unterschiedlicher Dickenbereiche gewalzt wird. Das hat erhebliche Vorteile gegenüber der umgekehrten Vorgehensweise, bei welcher zunächst ein Tailored Rolled Blank hergestellt wird und anschließend aus diesem Tailored Rolled Blank die Patches ausgeschnitten werden. Bei einem Tailored Rolled Blank, das in der Regel eine größere Breite besitzt als die einzelnen Patches, müssen die Patches so positioniert werden, dass die Dickenverteilung des Tailored Rolled Blank exakt zu den Patches passt. Dadurch können die Patches nicht in jeder beliebigen Position auf der Metallplatine positioniert sein. Die Positionierungsfreiheit ist massiv eingeschränkt, wodurch der Verschnitt der aufwendig gewalzten Metallplatine relativ hoch ist. Der Aufwand, der in das Abwalzen der gesamten Platine gesteckt wurde, wird letztlich durch den hohen Verschnittanteil nicht optimal ausgenutzt. Wenn hingegen die Patches unter optimaler Raumausnutzung beliebig auf der Metallplatine positioniert sein können, kann der Verschnittanteil signifikant reduziert werden. Zudem ist nur noch dasjenige Material mengenmäßig zu walzen, das als Patch tatsächlich an dem zu fertigenden Strukturbauteil zum Einsatz kommt.
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Ferner ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass die Patches einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzen. Dies ist vor dem Hintergrund der Verschnittminimierung ein wichtiger Aspekt. Im Wesentlichen rechteckige Patches lassen sich viel einfacher als stark konturierte Konturen dicht an dicht auf einer Metallplatine platzieren, mit der Folge, dass der Verschnitt sehr stark reduziert werden kann.
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Unter dem Begriff im Wesentlichen rechteckige Patches sind nicht nur streng geometrisch rechteckige oder quadratische Patches zu verstehen, sondern auch solche, bei denen die einander gegenüberliegenden Seiten nicht absolut parallel zueinander verlaufen. Unter im Wesentlichen rechteckigen Patches sind mithin auch solche zu verstehen, bei denen Abweichungen in der Breite und/oder Länge von +/–5% von einer mittleren Breite (arithmetisch gemittelt) bzw. Länge vorliegen. Dadurch werden beispielsweise abgerundete Ecken berücksichtigt ebenso wie leicht tonnenförmige oder kissenförmige Patches, bei denen die Längs- und/oder Breitseiten nicht parallel zueinander verlaufen, sondern gewissermaßen nach außen bzw. innen gewölbt sind. Insgesamt ergibt sich jedoch eine im Wesentlichen rechteckige Kontur. Zudem sind unter im Wesentlichen rechteckigen Patches auch solche zu verstehen, die aufgrund der oben angegebenen Toleranzen trapezförmig ausgebildet sind. Auch sollen im Rahmen der Erfindung solche Patches darunter verstanden werden, die rautenförmig konfiguriert sind, wobei der Winkel zwischen einer Querseite und einer Längsseite von 90° abweicht. Der besagte Winkel soll in einer Größenordnung von 90° +/–20° liegen. Auch solche im Sinne der Erfindung als noch im Wesentlichen rechteckig anzusehende Patches lassen sich dicht an dicht auf einer Metallplatine platzieren, um den Verschnitt so gering wie möglich zu halten.
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Es hat sich gezeigt, dass der Gewichtsvorteil, der durch stark konturierte Patches erreicht wird, mit deutlichen höheren Fertigungskosten erkauft wird, die auf den erhöhten Verschnitt zurückzuführen sind. Standardisierte oder an die im Wesentlichen rechteckige Geometrie angelehnte Patches haben einen wirtschaftlichen Vorteil, so dass es möglich ist, Strukturbauteile für Kraftfahrzeuge deutlich kostengünstiger zu fertigen, ohne dabei die individualisierten Ansprüche an die Festigkeits- und Steifigkeitsverteilungen des Strukturbauteils zu vernachlässigen.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, das Grundbauteil und das Patch aus verschiedenen Platinen zu fertigen. Den unterschiedlichen Anforderungen entsprechend kann das Grundbauteil aus einem anderen Metall als das Patch gefertigt werden. Bevorzugt kommt für das Grundbauteil und das Patch Stahl zum Einsatz. Insbesondere kann das Grundbauteil durch Kaltumformung hergestellt werden, während das Patch warmumgeformt oder sogar pressgehärtet wird. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Anteil des Gesamtbauteils, der in einem Crashfall deutlich verformt werden soll, das heißt das Grundbauteil, aus einem nicht härtbaren bzw. nicht gehärteten Werkstoff besteht. Daher soll diese Komponente des Strukturbauteils vorzugsweise als Kaltformbauteil zur Verfügung gestellt werden.
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Eine belastungsoptimierte Ausführung des Strukturbauteils wird durch den Einsatz eines Patches mit Bereichen unterschiedlichen Wanddicken realisiert. Die Wanddicke des Patches kann zu dessen Rändern bzw. Enden hin abnehmen, um einen Steifigkeitssprung des Strukturbauteils zu minimieren.
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Das Strukturbauteil ist insbesondere eine A-, B- oder C-Säule eines Kraftfahrzeugs, bevorzugt eine B-Säule. Bei bekannten B-Säulen aus Tailored Rolled Blanks mit komplexen Außenkonturen kommt es regelmäßig zu einer hohen Verschnittrate, da es sich um ein relativ stark konturiertes Bauteil handelt. Hier greift erfindungsgemäß der Einsatz von Tailored Rolled Blanks als Patch. Die Patches sind wesentlich kleiner konfiguriert als die B-Säule. Die Patches sind daher nur in diskreten bzw. nur in einzelnen Bereichen der B-Säule vorgesehen und gegebenenfalls auch nur in einem einzigen Teilbereich der B-Säule angeordnet. Die Patch-Größe ist abhängig von dem zu verstärkenden Bereich der B-Säule. Zur Reduzierung des Gesamtgewichts des Kraftfahrzeugs wird selbstverständlich angestrebt, hochfeste Materialien zu verwenden, die bei geringem Materialeinsatz eine hohe Steifigkeit und Festigkeit besitzen. Im Rahmen der Erfindung ist es daher von Vorteil, wenn die Patches mit ihren unterschiedlichen Dickenbereichen die einzigen Bauteile sind, die so aufwendig walztechnisch zu bearbeiten sind, wohingegen das Grundbauteil aus einer Platine gleich bleibender Wanddicke hergestellt ist und wobei diese Wanddicke auch nach dem Umformen im Wesentlichen gleich bleiben. Ein zusätzliches Abwalzen des Grundbauteils entfällt dadurch. Durch weniger Herstellungsschritte können Produktionskosten gespart werden. Zudem wird die Fertigung beschleunigt.
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Es wird im Rahmen der Erfindung jedoch nicht ausgeschlossen, dass auch das Grundbauteil in gleicher Weise wie das Patch zunächst aus einer Platine mit gleich bleibender Wanddicke ausgeschnitten wird und anschließend partiell abgewalzt wird, um Bereiche unterschiedlicher Wanddicken auszubilden.
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Auch wenn das Grundbauteil eine komplexere Geometrie aufweist als ein im Wesentlichen rechteckiges Patch, ermöglicht die Fertigungsreihenfolge des Zuschneidens und anschließenden Walzens des Grundbauteils zum Ausbilden unterschiedlicher Dickenbereiche eine Minimierung des Verschnitts, da die Grundbauteile nicht gezwungenermaßen quer zur Walzrichtung liegen müssen.
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Vorzugsweise ist das Patch pressgehärtet. Pressgehärtete Stähle sind besonders fest und federn nur sehr wenig zurück. Daher werden pressgehärtete Stähle bei Bauteilen eingesetzt, welche sich nicht verformen sollen. Die besonders hohe Festigkeit von pressgehärteten Stählen erlaubt es, die Patches mit sehr geringen Wanddicken herzustellen. Dies minimiert das Gewicht des Strukturbauteils insgesamt.
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Der Schritt des Umformens in Bezug auf das Grundbauteil und das Patch bezieht sich auf eine Formgebung durch Pressen/Tiefziehen. Ziel der Umformung ist die 3-dimensionale Formgebung aus der Ebene der Metallplatine heraus.
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Sofern sich die Möglichkeit bietet, das Patch und das Grundbauteil aus demselben Werkstoff herzustellen, kann das Patch aus dem Verschnitt der Metallplatine des Grundbauteils hergestellt werden. Das bedeutet nicht, dass zunächst der Verschnitt der Metallplatine des Grundbauteils produziert werden muss in dem Sinne, dass zunächst die Grundbauteile ausgeschnitten werden. Vielmehr ist es möglich, die Grundbauteile und die Patches verschachtelt auf einer gemeinsamen Metallplatine anzuordnen. Auch dadurch wird der Verschnitt so gering wie möglich gehalten. Das Handling der zuzuschneidenden Metallplatinen wird jedoch erheblich vereinfacht, wenn nicht zunächst die Grundbauteile, sondern die Patches und die Grundbauteile beispielsweise im Wechsel ausgeschnitten werden.
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Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn das Patch maximal die Dicke des Grundbauteils aufweist. Das Patch kann mithin auch eine geringere Wanddicke als das Grundbauteil besitzen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ablaufdiagramm, das einen ersten Weg des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens aufzeigt;
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2 ein Ablaufdiagramm, das einen alternativen Weg des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zeigt;
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3 eine Metallplatine mit eingezeichneten Konturen für Grundbauteile;
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4 eine Metallplatine mit einer weiteren eingezeichneten Kontur eines Grundbauteils;
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5 eine Metallplatine mit einer möglichen Schnittkontur für Patches;
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6 eine weitere Metallplatine mit einer möglichen Schnittkontur und Patches und Grundbauteile und
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7 eine schematische Darstellung eines Patches, welches durch Walzen umgeformt wird.
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1 zeigt eine Reihenfolge von Verfahrensschritten, die Bestandteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zur Herstellung eines Strukturbauteils 1, hier in Form einer B-Säule, sind.
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Ausgangspunkt des Verfahrens ist eine Metallplatine 2 konstanter Wanddicke, auf welcher die Konturen mehrerer Grundbauteile 3 eingezeichnet sind. In einem Trennvorgang, gekennzeichnet durch den Schritt 4, werden die Grundbauteile 3 aus der Metallplatine 2 herausgeschnitten. Parallel dazu wird eine zweite Metallplatine 5 bereitgestellt, auf welcher Konturen von rechteckigen Patches 6 zu erkennen sind. Die Patches 6 sind im Eckbereich leicht abgerundet. Sie sind auf dieser Metallplatine 5 konstanter Wanddicke jedoch dicht an dicht angeorndet, so dass der Verschnitt gering ist. In gleicher Weise sind auch die Grundbauteile 3 auf der Metallplatine 2 verschnittoptimiert positioniert.
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Die aus der Metallplatine 5 vereinzelten Patches 6 werden, nach dem durch das Bezugszeichen 4 gekennzeichneten Schritt des Zuschneidens einem Walzvorgang 8 unterworfen, so dass Bereiche 9 ausgebildet werden, die sich in ihrer Wanddicke von benachbarten Bereichen unterscheiden (Tailored Rolled Patch). In dem mit 10 gekennzeichneten Verfahrensschritt des Verbindens wird das abgewalzte Patch 6 mit dem Grundkörper 3 verbunden, beispielsweise verlötet, verschweißt oder verklebt. Die so verbundenen Bauteile werden durch Pressen in einem Umformschritt dreidimensional zu einer B-Säule umgeformt, so dass sich das Strukturbauteil 1 ergibt.
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Bei dem in 2 dargestellten alternativen Verfahrensweg werden die Patches 6 und die Grundbauteile 3 nach dem Zuschneiden und dem Walzen des Patches 6 separat umgeformt und erst anschließend miteinander verbunden. Die mit 10 und 11 in 1 bezeichneten Verfahrensschritte sind mithin gegenüber dem Verfahren gemäß 1 vertauscht. Im Übrigen wird auf die Beschreibung der 1 verwiesen.
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Die 3 und 4 zeigen ebenfalls Metallplatinen 2 mit darauf angeordneten Konturen von Grundbauteilen 3, die zu B-Säulen weiterverarbeitet werden können. Es ist zu erkennen, dass die Positionierung der einzelnen Grundbauteile 3 den Verschnitt minimal werden lässt. Das ist möglich, da die Metallplatine 2 nicht als Tailored Rolled Blank, sondern als Metallplatine 2 gleichbleibender Dicke ausgebildet ist. Anderenfalls müssten die Grundbauteile 3 quasi um 90 Grad gedreht werden und in Walzrichtung orientiert sein, mit der Folge, dass sie nicht so eng nebeneinander liegen können, wie es in 3 dargestellt ist. Mithin würde der Verschnitt zunehmen.
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4 zeigt eine weitere Metallplatine 2 mit ähnlich konturierten Bauteilen. Auch hier ist der Verschnitt minimal. Würde man die Grundbauteile 3 um 90° drehen, würde der Verschnitt um ca. 30% zunehmen. Bei der Variante der 3 würde die Zunahme 20% betragen.
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5 zeigt eine Metallplatine 5, auf welcher sich in der dichtest möglichen Konfiguration nebeneinander im Wesentlichen rechteckig konfigurierte Patches 6 befinden, die im Unterschied zu der Darstellung der 2 und 1 wesentlich länger sind. Die Patches 6 sind so positioniert, dass der Verschnitt etwa 14% beträgt. Die Patches 6 sind im Wesentlichen rechteckig konfiguriert. Sie besitzen eine längliche Gestalt mit abgerundeten Ecken. Die Längsseiten der Patches 6 sind leicht gekrümmt ausgeführt, so dass sich eine leichte Tonnenform ergibt. Insgesamt handelt es sich aber um im Wesentlichen rechteckige Patches 6.
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Die 6 zeigt in stark vereinfachter Darstellung, dass auf einer einzigen Metallplatine 5 konstanter Wanddicke sowohl Patches 6 als auch Grundbauteile 3 in sehr dichter Anordnung nebeneinander platzierbar sind. Auch dadurch ist eine Verschnittminimierung möglich.
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7 zeigt das Walzen eines Patches 6 zu einem Tailored Rolled Patch. Der Abstand zwischen den Walzen 12 ist veränderlich, so dass Bereiche 8 unterschiedlicher Dicke ausgebildet werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strukturbauteil
- 2
- Metallplatine
- 3
- Grundbauteil
- 4
- Zuschneiden
- 5
- Metallplatine
- 6
- Patch
- 7
- Zuschneiden
- 8
- Walzen
- 9
- Bereich
- 10
- Verbinden
- 11
- Umformen
- 12
- Walze
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10246164 A1 [0002]
- DE 102004023058 B4 [0003]
- DE 102005038488 A1 [0004]
