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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels Diffusionsschweißen und ein mit dem Verfahren hergestelltes Bauteil mit wenigstens einem Flächenabschnitt zur Verbesserung der Lastübertragung bei Klebeverbindungen.
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Klebungen ermöglichen zwischen zwei zusammengefügten Bauteilen eine gleichmäßige Spannungsverteilung und Lasteinleitung über miteinander verklebte Flächenabschnitte. Im Leichtbau können mittels Klebeverbindungen zudem besonders dünne Flächenelemente zusammengefügt werden, die mit anderen Fügeverfahren nur schwer bzw. nicht zu verbinden sind. Für eine dauerhafte, auch hohen Anforderungen genügende Klebung ist die Oberflächenstruktur der miteinander zu verklebenden Flächenabschnitte der Bauteile von entscheidender Bedeutung. Die Oberflächenstrukturen der Flächenabschnitte sowie der Klebstoff müssen jeweils auf die Werkstoffe der Bauteile abgestimmt sein. Vorteilhaft sind weiterhin möglichst große Klebeflächen, die insbesondere auch eine Verzahnung der Oberflächen der Bauteile ineinander ermöglichen. Bisher wurden die entsprechenden Flächenabschnitte dazu aufgeraut. Bei dünnen, metallischen Bauteilen führt die Aufrauhung jedoch zu starken Eigenspannungen in dem Bauteil, wodurch diese strukturell deutlich geschwächt sind und nur geringe Belastungen aufnehmen können.
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Aus der
US 5 330 092 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Verbundstruktur bekannt. In einem superplastischen Umformverfahren wird ein Paket aus mehreren Platten übereinandergelegt, wobei das Paket von einer äußeren Hülle aus Platten umschlossen ist. Dieses Paket wird superplastisch umgeformt, wobei innenliegende Platten eine Verstärkungsstruktur bzw. ein Verstärkungsgerippe des fertigen Bauteils ausbilden und die Hülle innenseitig abstützen und stabilisieren. Ähnliche Umformverfahren sind in der
US 4 393 987 A und der
GB 2 071 547 A beschrieben.
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Die
DE 602 16 190 T2 beschreibt ein Herstellungsverfahren, bei dem Außenwand und kontinuierliche Innenwände einer zu fertigenden rohrförmigen Struktur in einem einzigen Arbeitsgang durch Diffusionsschweißen und durch superplastisches Formen aus Blechen aus Titanlegierungen hergestellt werden. Im Inneren der rohrförmigen Struktur sind mehrere parallel zueinander angeordnete Kanäle vorgesehen, die jeweils einen unabhängigen Durchgang zum Leiten eines Fluids festlegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Oberflächenstruktur eines Ausgangsbauteils für eine weitere Verarbeitung und/oder Verwendung optimierbar ist und eine insbesondere für ein Zusammenfügen zweier Bauteile geeignete Oberflächenstruktur ohne Eigenspannungen aufweist.
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Verfahrensmäßig ist diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestelltes Bauteil ist mit den Merkmalen des Anspruchs 8 beschrieben. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei dem Verfahren zum Herstellen mindestens eines Bauteils wird wenigstens ein Flächenelement mit einer profilierten Struktur an zumindest einen Flächenabschnitt eines Ausgangsbauteils angelegt, wird das Ausgangsbauteil zusammen mit dem Flächenelement zwischen wenigstens zwei Lagen eines mediumdichten Materials eingelegt, werden die Lagen zu einem geschlossenen, mediumdichten Kuvert zusammengefügt, mit dem das Ausgangsbauteil sowie das Flächenelement umschlossen wird, wird auf zumindest einen Bereich des Flächenabschnitts, an dem das Flächenelement anliegt, bei einer vorgegebenen Schweißtemperatur Druck ausgeübt, wird das Flächenelement unter dem ausgeübten Druck durch Diffusion mit dem Ausgangsbauteil verbunden, wobei Ausgangsbauteil und Flächenelement ein neues Bauteil ausbilden und werden die beiden Lagen des Kuverts nach Herstellen des neuen Bauteils voneinander separiert.
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Die aneinander zu fügenden Flächenabschnitte von Ausgangsbauteil und Flächenelement werden dabei durch Diffusion ihrer Grenzflächen vollflächig miteinander verbunden. Aufgrund der Grenzflächendiffusion weist das neue Bauteil auch im Bereich des Flächenelements bezüglich der Materialeigenschaften keine beziehungsweise kaum Unterschiede zu einem einstückigen Bauteil auf und kann somit höchsten Festigkeitsanforderungen bzw. Belastungen genügen. In Abhängigkeit von dem Werkstoff und der späteren Verwendung des Bauteils ist eine für eine vorzusehende Klebung optimierte Oberflächenstruktur des Flächenelements festzulegen.
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Ein anderes Anwendungsgebiet für ein derartig vollflächig verschweißtes Verbundbauteil könnte neben der Optimierung von Klebungen eine Kombination von Lochblech und Gitter- beziehungsweise Sieb- oder Netzstrukturen sein, wie sie zur Senkung der Lärmemissionen von Flugzeugtriebwerken erforscht und eingesetzt werden. Diffusionsgeschweißt weisen diese optimale Eigenschaften auch für höchste Belastungen auf.
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Das Kuvert ist nur ein Hilfsmittel für das Verfahren und nach dessen Durchführung als Verbrauchsmaterial zu verwerfen. Vorteilhafterweise bestehen die für das Kuvert verwendeten mediumdichten Lagen daher aus einem Material mit einem geringem Wert und ausreichender Wärmebeständigkeit. Geeignet ist zum Beispiel Blechmaterial, insbesondere aus Mikro-Duplex-Stahllegierungen. In anderen Ausführungen sind aber auch andere hochtemperaturbeständige, mediumdichte Materialien einsetzbar. In Frage kommen z. B. Magnesium bei Temperaturen bis ca. 380°C, Aluminium bis ca. 480°C, Titan bis 700°C bzw. 900°C, Stahl bis ca. 1100°C.
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Um die Lastübertragung von Klebungen zu verbessern, ist vorgesehen, dass an zumindest dem Flächenabschnitt des Ausgangsbauteils ein Flächenelement mit einer profilierten Struktur angelegt wird. Unter der profilierten Struktur ist eine unebene, nicht glatte Oberfläche zu verstehen. Diese weist gegenüber einer glatten, ebenen Fläche mit gleichen Abmessungen eine vergrößerte Oberfläche auf. An dieser strukturierten Oberfläche ist dann eine geometrische Verriegelung mit anderen Oberflächen möglich. Durch die geometrische Verriegelung kann eine Verbesserung der Lastübertragung bei Klebefügungen erreicht werden.
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Vorteilhafterweise kann die profilierte Struktur dadurch erzeugt werden, dass das Flächenelement zumindest abschnittsweise Durchbrüche aufweist und mit einem Ausgangsbauteil mit geschlossener Oberfläche verbunden wird. Das zumindest abschnittsweise Durchbrüche aufweisende Flächenelement hat den Vorteil, dass gegenüber einem keine Durchbrüche aufweisenden Flächenelement mit einer beispielsweise aufgerauten Oberfläche eine Gewichtsminimierung erreichbar ist. Dies ist insbesondere von Bedeutung, da das Mehrgewicht des auf das Ausgangsbauteil aufgebrachten Flächenelements in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Ausgangsbauteils neben der maximal möglichen Fläche ein begrenzender Faktor für die Anordnung von Klebeflächen ist. Zudem ergeben sich aufgrund der Durchbrüche, insbesondere bei Gitter- oder Netzstrukturen, Hinterschnitte in der Oberfläche des Flächenabschnitts, so dass eine besonders effektive geometrische Verriegelung erfolgen kann.
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In dem Kuvert aus zwei Lagen eines formbaren, mediumdichten Materials wird durch Einleiten eines Schutzgases vorteilhafterweise eine Schutzgasatmosphäre eingestellt, die für die Dauer des Verfahrens kontrolliert und reguliert wird. Durch die durchgehende Überwachung der Schutzgasatmosphäre ist sichergestellt, dass unerwünschte Reaktionen aufgrund der bei den hohen Temperaturen großen Reaktivität der bevorzugt umzuformenden Werkstoffe mit z. B. Luft vermieden werden. Die Überwachung der Schutzgasatmosphäre kann dadurch erfolgen, dass der Schutzgasdruck und die Schutzgasgüte mit einer geeigneten Messeinrichtung erfasst werden. Mit den erfassten Messdaten ist dann eine für das Verfahren vorgegebene Schutzgasatmosphäre einstellbar, die für die Dauer des Verfahrens gleichbleibend beziehungsweise kontinuierlich anpassbar ist. Mögliche Abweichungen von den Vorgaben werden unmittelbar erkannt und durch geeignete Gegenmaßnahmen ist ein optimaler Prozessverlauf aufrechterhaltbar.
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Damit die Lagen des Kuverts und die jeweils an den Lagen anliegenden Flächenabschnitte bei den zumeist sehr hohen Temperaturen nicht miteinander verkleben, ist zumindest auf die an den Lagen anliegenden Flächenabschnitte des Ausgangsbauteils und des Flächenelements ein Trennmittel aufzubringen. Dieses bewirkt, dass das Flächenelement und die jeweilige Lage nach dem Abkühlen einfach voneinander separierbar sind. Als Trennmittel kommen vor allem Graphit und Bornitrid sowie Yttrium in Frage. Die Trennmittel können flüssig auf die Flächen gespritzt werden oder auch als beispielsweise Graphitfolie oder Graphitplatte in das Kuvert eingelegt werden.
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Nach einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Kuvert aus mediumdichten, verformbaren Lagen besteht und in wenigstens zwei Formwerkzeugteile eingelegt wird, dass auf mindestens einen Bereich eines Flächenabschnitts des Kuverts bei einer vorgegebenen Umformtemperatur durch Einleiten eines Mediums zwischen eine der verformbaren Lagen und einem ersten Formwerkzeugteil Druck ausgeübt wird, und dass das Kuvert mit dem Ausgangsbauteil und dem Flächenelement durch den erzeugten Druck in wenigstens einen benachbarten Hohlraums eines Seitenformwerkzeugteils hineingeformt wird.
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Mit dem Kuvert aus superplastisch verformbaren Lagen können einerseits Durchbrüche aufweisende Bauteile, insbesondere Flächenelemente aus beispielsweise Lochblechen bzw. Gitter- oder Siebstrukturen, und andererseits auch mediumdichte, flächige Bauteile, aus Werkstoffen, die nur bedingt superplastische Umformeigenschaften aufweisen, auf einfache Weise und mit hoher Präzision in komplexe, räumlich gekrümmte Bauteilgeometrien gedrückt werden. Das eigentlich umzuformende Bauteil bzw. Flächenelement wird dabei zwischen den verformbaren Lagen niedergehalten, wobei dieses sich bei der Umformung in einem durch den Abstand der verformbaren Lagen zueinander begrenzten Raum „relativ bewegen” kann. Dem Fließverhalten des eigentlichen Bauteils bzw. des Ausgangsbauteils mit dem aufzubringenden Flächenelement wird somit durch die verformbaren Lagen des Kuverts eine Richtung vorgegeben, wobei das zu bearbeitende Bauteil in dem Kuvert nicht unbedingt superplastische Umformeigenschaften aufweisen muss. Zudem werden während der Umformung möglicherweise auftretende Stauchfalten vermieden und das umgeformte, zwischen den Lagen zwangsgeführte Bauteil ist im Ergebnis nahezu wanddickengleich und nicht stark streckgezogen.
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Sowohl die Umformung als auch das Diffusionsschweißen werden dabei bevorzugt in einem Fertigungszyklus eines Bauteils miteinander kombiniert, wobei entweder zuerst diffusionsgeschweißt und dann umgeformt wird oder zuerst umgeformt und dann diffusionsgeschweißt wird.
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Der Zuschnitt des zu bearbeitenden Bauteils bzw. des Ausgangsbauteils kann, wenn dieses zwischen den verformbaren Lagen des Kuverts fixiert wird, kleiner ausfallen, da kein Rand benötigt wird, um das zu fertigende Bauteil zwischen den Formwerkzeugteilen einzuspannen. Die verformbaren Lagen des Kuverts weisen dazu vorteilhafterweise einen umlaufend um den Zuschnitt des Bauteils überstehenden Randbereich auf. Zwischen den Formwerkzeugteilen werden dann nur die Randbereiche der verformbaren Lagen in einem Einspannbereich gehalten, so dass das zwischen den Lagen fixierte Bauteil für die Umformung optimal, das heißt, ohne Materialverluste, positioniert ist. Durch den kleineren Zuschnitt des Bauteils können die Kosten gesenkt werden, da der oder die Werkstoffe des zu bearbeitenden Bauteils den Wert des Kuverts zumeist deutlich übersteigen und somit maßgeblich für die bei der Durchführung des Verfahrens anfallenden Kosten sind.
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Als druckerzeugendes Medium wird zumeist ein Gas eingesetzt. Vorteilhafterweise ist das eingesetzte Medium ein reaktionsträges Schutzgas, wie z. B. Argon oder Stickstoff. Je nach Ausführung des Verfahrens, kann dieses zudem unter Vakuum erfolgen.
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Mit dem vorbezeichneten Verfahren sind u. a. Bauteile mit wenigsten einem Flächenabschnitt zur Verbesserung der Lastenübertragung bei Klebeverbindungen herstellbar. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass auf dem Flächenabschnitt eines Ausgangsbauteils ein Flächenelement angeordnet ist, dass das Flächenelement eine profilierte Struktur aufweist, und dass der Flächenabschnitt des Bauteils mit dem Flächenelement bezogen auf die Fläche eine gegenüber anderen Flächenbereichen des Bauteils vergrößerte Oberfläche aufweist. Unter der profilierten Struktur des Flächenabschnitts ist hier eine nicht glatte, unebene Oberflächenstruktur zu verstehen, die eine hochwertige, gute Klebung mit anderen Bauteilen gewährleistet. Durch die in Abhängigkeit von den Werkstoffen der miteinander zu verklebenden Bauteile zu bestimmende Oberflächenstruktur des jeweiligen Flächenabschnittes kann eine Verzahnung der Bauteile ineinander erreicht und optimiert werden. Damit ist eine bessere Übertragung und Einleitung von auf das Bauteil bzw. die Klebung einwirkenden Belastungen erreicht.
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Um eine hochfeste Verbindung zwischen Flächenelement und Ausgangsbauteil zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass das Flächenelement mittels Grenzflächendiffusion auf das Ausgangsbauteil aufgeschweißt ist.
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Durch Hinterschnitte in dem Flächenabschnitt ist vorteilhafterweise eine besonders gute Verzahnung der Bauteile beim Kleben ineinander möglich, womit die Lasteinleitung in die Bauteile nochmals erhöht ist. Eine Möglichkeit Hinterschnitte in den Flächenabschnitt einzubringen bzw. zu schaffen ist, dass das Flächenelement Durchbrüche aufweist, insbesondere dadurch, dass das Flächenelement aus einer Gitterstruktur besteht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
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1: ein Querschnitt durch eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils in einem geschlossenen Kuvert;
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2: eine schematische Darstellung eines Flächenabschnitts eines Bauteils mit einem aufgeschweißten Flächenelement in perspektivischer Ansicht;
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3: ein Querschnitt durch eine schematische Darstellung eines in zwei Formwerkzeugteile eingelegten Kuverts mit einem Bauteil; und
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4: der Querschnitt durch die Formwerkzeugteile aus 3 mit dem umgeformten Bauteil in dem Kuvert.
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In 1 ist ein aus zwei mediumdichten Lagen 1, 2 zusammengesetztes geschlossenes Kuvert 3 dargestellt, wobei die mediumdichten Lagen 1, 2 mit einem umlaufenden Randbereich 4, 4' über die Abmessungen eines in dem Kuvert 3 angeordneten Ausgangsbauteils 5 überstehen. Mit diesen Randbereich 4, 4' sind die beiden Lagen 1, 2 mediumdicht miteinander verbunden, so dass das Ausgangsbauteil 5 sowie ein zusammen mit dem Ausgangsbauteil 5 innerhalb des Kuverts 3 angeordnetes Flächenelement 6 in einer zu der Umgebung des Kuverts abgedichteten Kammer positioniert sind. Das Flächenelement 6 auf dem Ausgangsbauteil 5 begrenzt einen mit einem weiteren Bauelement bzw. Werkstück oder dergleichen zu verklebenden Flächenabschnitt des Ausgangsbauteils 5. Als Flächenelement 6 kommen insbesondere Lochblech, Gitter-, Sieb- oder Netzstrukturen aus bevorzugt metallischen Werkstoffen in Frage.
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Durch Erwärmen des Kuverts 3 mit dem im Inneren angeordneten Ausgangsbauteil 5 sowie dem Flächenelement 6 auf Diffusionsschweißtemperatur und durch eine Druckerhöhung auf das Ausgangsbauteil 5 und das Flächenelement 6 können die aneinander liegenden Grenzflächen von Flächenelement 6 und Ausgangsbauteil 5 ineinander diffundieren und bilden ein neues Bauteil 7 aus.
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Ein derartiger Flächenabschnitt eines Bauteils 7 zeigt 2. Das Flächenelement 6 ist auf einen ebenen Bereich des Bauteils 7 angeordnet und bildet einen mit anderen Bauelementen, Werkstücken oder dergleichen optimal zu verklebenden Bereich aus.
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3 und 4 zeigen je einen Verfahrensschritt der Umformung eines solchen Bauteils 7, wobei dieses in einem Kuvert 3 entsprechend 1 angeordnet ist. Das Kuvert 3 ist in einer Vorrichtung aus einem ersten Formwerkzeugteil 8 und einem zweiten Formwerkzeugteil 9 eingelegt. Zwischen den Formwerkzeugteilen 8, 9 ist ein Aufnahmebereich 10 für das Kuvert 3 ausgebildet. Um den Aufnahmebereich 10 herum ist umlaufend ein Einspannbereich 11 zwischen den Formwerkzeugteilen 8, 9 angeordnet. In diesem Einspannbereich 11 ist der verschweißte Randbereich 4, 4' des Kuverts 3 gehalten. Das erste Formwerkzeugteil 8 weist eine Mediumleitung 12 auf, die in einer zum Aufnahmebereich 10 hin gerichteten Einlassöffnung 13 endet. In dem zweiten Formwerkzeugteil 9 ist ein Hohlraum 14 ausgebildet, dessen Wandung 15 die Kontur des aus dem Bauteil 7 zu formenden Werkstücks aufweist. Dem Hohlraum 14 sind zudem Entgasungsöffnungen 16, 16' zugeordnet.
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Während in 1 das noch nicht umgeformte Bauteil 7 dargestellt ist, ist dieses zwischen den Formwerkzeugteilen 8, 9 gehaltene Bauteil 7 in 2 zusammen mit den verformbaren Lagen 1, 2 des Kuverts 3 umgeformt und liegt eingefasst von dem Kuvert 3 an der Wandung 15 des Hohlraums 14 an.
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Während der Umformung werden die beiden Formwerkzeugteile 8, 9 nach außen abdichtend aufeinander gepresst und über die Mediumleitung 12 sowie die Einlassöffnung 13 wird Medium zwischen das erste Formwerkzeugteil 8 und die verformbare Lage 1 gedrückt. Die mit Druck beaufschlagte verformbare Lage 1 wird dadurch derart verformt, dass diese zusammen mit dem Bauteil 7 und der verformbaren Lage 2 in den Hohlraum 14 hineingeformt wird, bis die verformbare Lage 2 vollständig an der Wandung 15 anliegt und eine weitere Verformung nicht möglich ist. In dem Hohlraum 14 enthaltenes Gas kann über die Entgasungsöffnungen 16, 16' vollständig entweichen. Durch Öffnen der Formwerkzeugteile 8, 9 kann das Kuvert 3 nach der Umformung aus den Formwerkzeugteilen 8, 9 entnommen werden. Nach dem das Kuvert 3 vollständig abgekühlt ist, werden das Bauteil 7 und die verformbaren Lagen 1, 2 voneinander separiert.
