DE102013104630A1

DE102013104630A1 - Fließpressverfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils

Info

Publication number: DE102013104630A1
Application number: DE201310104630
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2013-11-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein aus zumindest einem ersten und einem zweiten Bauteil (2; 3) bestehendes Hybridbauteil (1) sowie ein Fließpressverfahren zum Herstellen eines solchen Hybridbauteils, bei dem zumindest das zweite Bauteil (3) unter Einwirkung von Druck derart zum Fließen gebracht wird, dass an der dem ersten Bauteil (2) abgewandten Seite (8) des zweiten Bauteils (3) eine fließgepresste Kontur (9) ausgebildet wird. Erfindungsgemäß fließt das zweite Bauteil (3) zugleich im Verbindungsbereich (10) mit dem ersten Bauteil (2) in eine Struktur (5) des ersten Bauteils (2) hinein, so dass die beiden Bauteile (2; 3) form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fließpressverfahren zum Herstellen eines aus zumindest einem ersten und einem zweiten Bauteil bestehenden Hybridbauteils, bei dem zumindest das erste Bauteil unter Einwirkung von Druck derart zum Fließen gebracht wird, dass an der dem ersten Bauteil abgewandten Seite des zweiten Bauteils eine fließgepresste Kontur ausgebildet wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Hybridbauteil, insbesondere einen Kühlkörper, mit zumindest einem ersten und einem zweiten Bauteil, das an seiner dem ersten Bauteil abgewandten Seite eine fließgepresste Kontur aufweist.
Fließgepresste Kühlkörper aus Aluminium sind allgemein bekannt. Nachteilig bei diesen jedoch ist, dass sie sich aufgrund ihrer Stoffeigenschaften – die durch das Herstellungsverfahren bedingt sind – bei höheren Drücken wieder leicht verformen können. Infolgedessen ist ihr Einsatzgebiet eingeschränkt.
Ferner stellt die im Vergleich zu anderen Metallen reduzierte Wärmeleitfähigkeit von fließgepressten Kühlkörpern ein Problem dar. Aus der DE 197 23 590 A1 ist ein Kühlkörper bekannt, der eine Basis aus einem metallplattenförmigen Körper mit einem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, der höher als derjenige von Aluminium ist, aufweist. Ferner umfasst der Kühlkörper eine Schicht aus Aluminium oder Aluminiumlegierung, die auf einer Seite oder auf beiden Seiten des metallplattenförmigen Körpers metallisch fest verbunden ist. Mit der Schicht aus Aluminium oder Aluminiumlegierung ist eine Kühlrippe zur Wärmeabstrahlung metallisch fest verbunden. Die metallische Verbindung zwischen dem metallplattenförmigen Körper und der Schicht aus Aluminium oder Aluminiumlegierung ist durch Hartlöten, Weichlöten, diffundiertes Bonding, Schweißen oder Walzplattieren hergestellt. Ferner sind die Kühlrippen mittels eines der vorgenannten Verfahren mit der Schicht aus Aluminium oder Aluminiumlegierung fest verbunden. Nachteilig hierbei ist, dass die Herstellung des Kühlkörpers sehr aufwendig ist, wodurch die Herstellungskosten erhöht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen bei höheren Drücken formstabilen, mit guten Wärmeabstrahlungseigenschaften ausgebildeten und/oder einfach sowie schnell herstellbaren Kühlkörper sowie ein Fließpressverfahren zum Herstellen eines solchen Kühlköpers zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Fließpressverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Hybridbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 11.
Bei dem erfindungsgemäßen Fließpressverfahren zum Herstellen eines aus zumindest einem ersten und einem zweiten Bauteil bestehenden Hybridbauteils wird zumindest das zweite Bauteil unter Einwirkung von Druck zum Fließen gebracht. Hierdurch wird an der dem ersten Bauteil abgewandten Seite des zweiten Bauteils eine fließgepresste Kontur ausgebildet. Diese Kontur weist vorzugsweise eine möglichst große Oberfläche auf, so dass mittels Konvektion eine gute Wärmeabfuhr sichergestellt werden kann. Die Kontur umfasst demnach vorzugsweise Kühlrippen und/oder Kühlsäulen. Selbstverständlich ist auch jegliche andere geometrische Kontur denkbar, die eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht. Das zweite Bauteil wird zugleich im Verbindungsbereich mit dem ersten Bauteil derart zum Fließen gebracht, dass es in eine Struktur des ersten Bauteils hineinfließt. Das erste Bauteil kann hierfür in das weichere zweite Bauteil eingepresst werden. Hierdurch werden beide Bauteile form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden. Infolgedessen wird während eines einzigen Arbeitsschrittes sowohl die wärmeableitende Kontur als auch eine feste form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen hergestellt. Hierdurch können die Herstellungskosten des Hybridbauteils reduziert werden. Das erste Bauteil ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass es die Wärmeleitfähigkeit des Hybridbauteils und/oder seine Festigkeit verbessert. Infolgedessen wird überdies hinaus aufgrund des in die Struktur hineingeflossenen Materials des zweiten Bauteils die Wärmeübergangsfläche im Verbindungsbereich der beiden Bauteilen vergrößert, so dass Wärme effektiver und effizienter vom ersten Bauteil in Richtung des zweiten Bauteils zu fließen vermag.
Vorteilhaft ist es, wenn die Struktur, insbesondere bedingt durch die Materialwahl und die Geometrie der Struktur, des ersten Bauteils im Vergleich zum zweiten Bauteil zum einen derart hart ausgebildet ist, dass sie in das erste Bauteil eingepresst werden kann, und zum anderen auch derart weich ausgebildet ist, dass sie sich, insbesondere zur Ausbildung von Hinterscheidungen, zumindest teilweise verformt. Hierdurch das Hybridbauteil sehr schnell und kostengünstig in einem einzigen Arbeitsschritt fertiggestellt werden.
Des Weiteren wird ein unbeabsichtigtes Ablösen der beiden Bauteile von einander vermieden. So könnte beispielsweise zwischen den beiden Bauteilen, insbesondere mittels Walzplattieren, eine intermetallische Phase ausgebildet sein. Beim Fließpressen eines derartig ausgebildeten Hybridbauteils kann ein Ablösen der beiden Bauteile voneinander beim Ausbilden der fließgepressten Kontur erfolgen. Hierdurch können Zwischenräume im Verbindungsbereich der beiden Bauteile entstehen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit vom ersten Bauteil zum zweiten Teil verschlechtert wird. Im Gegensatz dazu werden beim erfindungsgemäßen Fließpressverfahren die beiden Bauteile im Verbindungsbereich derart aneinander gepresst, dass das zweite Bauteil, insbesondere form- und/oder kraftschlüssig, in die Struktur des ersten Bauteils hineinfließt.
Vorteilhaft ist es, wenn während des Verbindens der beiden Bauteile das Material des zweiten Bauteils die Struktur des ersten Bauteils hinterschneidet und/oder verformt. Auch wenn der Elastizitätsmodul des zweiten Bauteils vorzugsweise geringer ist als der des ersten Bauteils, so weist das zweite Bauteil im Laufe des Fließpressverfahrens nach einer gewissen Verformung bereichsweise aufgrund der stattfindenden Verfestigung eine derart große Härte auf, dass es das erste Bauteil zumindest teilweise verformen und/oder hinterscheiden vermag. Beim Hinterschneiden kann eine besonders feste Verbindung zwischen den beiden Bauteilen sichergestellt werden. Ferner können die Herstellungskosten reduziert werden, wenn das zweite Bauteil die Struktur des ersten Bauteils derart verformt, dass insbesondere Hinterschneidungen ausgebildet werden. Somit müssen derartige Hinterschneidungen nicht aufwendig vor Beginn des Fließpressverfahrens in die Struktur des ersten Bauteils eingearbeitet werden, sondern entstehen automatisch während des Verpressens der beiden Bauteile. Mittels der Hinterscheidungen kann eine besonders feste Verbindung zwischen den beiden Bauteilen sichergestellt werden.
Ferner kann eine sehr feste Verbindung zwischen den beiden Bauteilen sichergestellt werden, wenn die Struktur beim Verpressen der beiden Bauteile, insbesondere unregelmäßig, verformt wird. Vorzugsweise wird die Struktur hierbei gestaucht, so dass sich ihre Erhebungen, insbesondere Rippen und/oder Stifte, bereichsweise im Durchmesser verbreitern, wodurch sich die beiden Bauteile in einander verspreizen.
Eine besonders feste Verbindung zwischen den beiden Bauteilen kann sichergestellt werden, wenn die Struktur derart, insbesondere unregelmäßig, verformt wird, dass Hinterschneidungen ausgebildet werden. Ferner können somit die Herstellungskosten des Hybridbauteils reduziert werden, da die Struktur vor dem Fließpressen nicht aufwendig mit Hinterschneidungen versehen werden muss.
Alternativ kann die Struktur vor dem Fließpressen jedoch aber auch mit Hinterschneidungen ausgebildet werden. Somit kann insbesondere in festigkeitskritischen Bereichen zuverlässig eine feste Verbindung zwischen den beiden Bauteilen sichergestellt werden.
Eine feste Verbindung sowie gute Wärmeleitfähigkeit zwischen den beiden Bauteilen liegt vor, wenn sich das zweite Bauteil beim Hineinfließen in das erste Bauteil in die Hinterschneidungen der Struktur derart einformt, dass das zweite Bauteil eng an der Struktur des ersten Bauteils anliegt. Hierdurch werden Hohlräume im Verbindungsgebreich der beiden Bauteile vermieden, die eine Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit vom ersten Bauteil in Richtung des zweiten Bauteils bewirken würden.
Zur Ausbildung der Kontur ist es vorteilhaft, wenn das zweite Bauteil, insbesondere durch eine Matrize, in Wirkrichtung eines Stempels fließt. Somit kann die wärmeableitende Kontur an der dem ersten Bauteil abgewandten Seite des zweiten Bauteils sehr einfach und kostengünstig ausgebildet werden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das zweite Bauteil zur formschlüssigen Verbindung der beiden Bauteile im Wesentlichen entgegen der Wirkrichtung des Stempels fließt. Somit kann in einem einzigen Arbeitsschritt auf der einen Seite eine feste sowie sehr wärmeleitfähige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen hergestellt und auf der anderen Seite die wärmeableitende Struktur an der dem ersten Bauteil abgewandten Seite des zweiten Bauteils ausgebildet werden.
Eine besonders feste Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil kann gewährleistet werden, wenn vor dem Fließpressen im Verbindungsbereich der beiden Bauteile, insbesondere mittels Kaltwalzplattieren, eine intermetallische Verbindung ausgebildet wird. Anschließend wird in das erste Bauteil zur Ausbildung der Struktur von der dem zweiten Bauteil abgewandten Seite Vertiefungen, insbesondere Bohrungen, eingebracht. Diese reichen bis zum zweiten Bauteil, so dass dieses beim Fließpressen in die Struktur des ersten Bauteils form- und/oder kraftschlüssig hineinzufließen vermag. Infolgedessen liegt jeweils im Bereich zwischen zwei benachbarten Bohrungen eine intermetallische Verbindung zwischen den beiden Bauteilen vor.
Des Weiteren sind die beiden Bauteile jeweils im Bereich einer Bohrung form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden. Hierdurch wird eine sehr feste Verbindung zwischen den beiden Bauteilen sichergestellt. Des Weiteren liegt eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit zwischen den beiden Bauteilen vor, da ein Ablösen der beiden Bauteile voneinander im Wesentlichen ausgeschlossen ist.
Vorteilhaft ist es, wenn zumindest zwei erste Bauteile, insbesondere als Verstärkungsstreben oder -rippen ausgebildet und voneinander beabstandet, mit dem zweiten Bauteil verbunden werden. Hierdurch kann die Festigkeit des Hybridbauteils erhöht werden, so dass dieses auch für Anwendungen geeignet ist, bei denen es hohen Drücken ausgesetzt ist, die ansonsten eine Verformung des Hybridbauteils hervorrufen würden.
Das erfindungsgemäße Hybridbauteil, insbesondere ein Kühlkörper, weist zumindest ein erstes und ein zweites Bauteil auf. Das zweite Bauteil weist an seiner dem ersten Bauteil abgewandten Seite eine fließgepresste Kontur auf. Der Elastizitätsmodul des ersten Bauteils ist größer als der des zweiten Bauteils. Die Elastizitätsmoduln sind demnach, insbesondere bei einer Materialkombination, die zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Hybridbauteils geeignet ist, derart gewählt, dass das zweite Bauteil während eines Fließpressverfahrens zu fließen vermag, wohingegen sich das erste Bauteil lediglich leicht verformt. Alternativ können die Elastizitätsmoduln, insbesondere bei einer Materialkombination, die zur Verbesserung der Festigkeit des Hybridbauteils geeignet ist, derart gewählt sein, dass das zweite Bauteil während des Fließpressverfahrens zu fließen vermag, wohingegen sich das erste Bauteil, das zur Versteifung des Hybridbauteils dient, nicht verformt. Das zweite Bauteil ist im Verbindungsbereich mit dem ersten Bauteil derart in eine zumindest teilweise hinterschneidende Struktur des ersten Bauteils eingeformt, dass die beiden Bauteile form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Das Hybridbauteil ist somit in der Herstellung sehr kostengünstig, da während eines einzigen Verfahrensschrittes sowohl die fließgepresste Kontur als auch die form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen im Verbindungsbereich herstellbar ist. Des Weiteren weist das Hybridbauteil eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit auf, da zwischen den beiden Bauteilen während des Fließpressverfahrens keine Hohlräume ausgebildet werden. Überdies hinaus wird aufgrund des in die Struktur hineingeflossenen Materials des zweiten Bauteils die Wärmeübergangsfläche im Verbindungsbereich der beiden Bauteilen vergrößert, so dass Wärme effektiver und effizienter vom ersten Bauteil in Richtung des zweiten Bauteils zu fließen vermag.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das Hybridbauteil im Rahmen eines Fließpressverfahrens, insbesondere gemäß der vorangegangenen Beschreibung, ausgebildet ist, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Hierdurch kann eine sehr kostengünstige Herstellung des Hybridbauteils sichergestellt werden, bei zugleich hoher Verbindungsfestigkeit zwischen den beiden Bauteilen und guter Wärmeleitfähigkeit.
Eine besonders feste Verbindung zwischen den beiden Bauteilen wird gewährleistet, wenn dass der Elastizitätsmodul des ersten Bauteils derart gewählt ist, dass die Struktur zumindest teilweise unregelmäßig verformt ist, insbesondere derart, dass Hinterschneidungen ausgebildet sind, in die das zweite Bauteil eingeformt ist. Ferner können die Herstellungskosten des Hybridbauteils reduziert werden, da kein separater Fertigungsschritt notwendig ist, um die Hinterschneidungen in die Struktur einzubringen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Struktur mittels mehrerer Erhebungen, insbesondere Rippen und/oder Stifte, und/oder Vertiefungen, insbesondere Nuten und/oder Bohrungen, ausgebildet ist. Hierdurch kann eine sehr feste Verbindung zwischen den beiden Bauteilen sichergestellt werden. Diesbezüglich ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Struktur eine Vielzahl von derartigen Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Vertiefungen durchgängig sind und jeweils an ihrem dem zweiten Bauteil abgewandten Ende eine vorgefertigte Hinterschneidung, insbesondere eine Phase aufweisen, in die das zweite Bauteil eingeformt ist. Hierdurch kann eine sehr feste Verbindung zwischen den beiden Bauteilen, insbesondere in festigkeitskritischen Bereichen, des Hybridbauteils gewährleistet werden.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn das erste Bauteil aus Kupfer oder aus Stahl und das zweite Bauteil aus Aluminium ausgebildet ist. Bei einem aus Kupfer ausgebildeten ersten Bauteil kann insbesondere die Wärmeleitfähigkeiten des Hybridbauteils verbessert werden. Zum Verstärken des Hybridbauteils ist es vorteilhaft, wenn das erste Bauteil einen noch höheren Elastizitätsmodul als Kupfer aufweist und demnach insbesondere aus Stahl ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der Elastizitätsmodul des ersten Bauteils derart hoch, dass es sich während des Fließpressverfahrens nicht verformt.
Um das Einsatzgebiet des fließgepressten Hybridbauteils zu vergrößern, ist es vorteilhaft, wenn das erste Bauteil als Verstärkungsstrebe ausgebildet ist. Hierdurch kann vermieden werden, dass sich das Hybridbauteil deformiert, wenn es hohen Drücken ausgesetzt ist.
Vorteilhaft ist es, wenn das erste Bauteil mit einer Fläche des zweiten Bauteils bündig abschließt, da somit zu kühlende, insbesondere elektronische, Komponenten, wie Steuergeräte, Prozessoren oder dergleichen, enganliegend an dem Hybridbauteil angebracht werden können. Somit kann die Wärmeabfuhr von der zu kühlenden Komponente auf das Hybridbauteil verbessert werden. Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn das erste Bauteil über diese Fläche teilweise hinausragt, da hierdurch die Steifigkeit des Hybridbauteils erhöht werden kann.
Eine besonders feste Verbindung zwischen der Verstärkungsstrebe und dem zweiten Bauteil kann sichergestellt werden, wenn die Struktur seitlich, insbesondere an zwei gegenüberliegenden Seiten, der Verstärkungsstrebe ausgebildet ist.
Wenn sich die Verstärkungsstrebe in Längs- und/oder Querrichtung des zweiten Bauteils erstreckt, kann ein Durchbiegen des Hybridbauteils bei hohen Drücken vermieden werden.
Ferner kann die Steifigkeit und Festigkeit des Hybridbauteils erhöht werden, wenn zumindest zwei erste Bauteile, insbesondere als Verstärkungsstrebe ausgebildet und voneinander beabstandet, mit dem zweiten Bauteil verbunden sind. Vorzugsweise weist das Hybridbauteil eine Vielzahl an derart versteifend wirkenden ersten Bauteilen auf.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgen Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
1a–1b ein Fließpressverfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 das Hybridbauteil gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel im Querschnitt,
3 eine Detailansicht des Verbindungsbereichs des Hybridbauteils gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
4a–4b ein Fließpressverfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
5 das Hybridbauteil gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel im Querschnitt,
6a–6b das Hybridbauteil gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel im Quer- und Längsschnitt und
7 das Hybridbauteil gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel im Querschnitt.
1a und 1b zeigen ein Fließpressverfahren zum Herstellen eines in 2 dargestellten Hybridbauteils 1. 1a zeigt einen Querschnitt durch eine hier lediglich schematisch dargestellte Fließpressvorrichtung 20 zu Beginn des Fließpressverfahrens. Die Fließpressvorrichtung 20 umfasst im Wesentlichen eine feststehende Matrize 21 sowie einen gegenüber dieser beweglich gelagerten Stempel 22. Die Matrize 21 weist mehrere Öffnungen 23 auf. Die Öffnungen 23 sind gegenüber dem Stempel 22 in dessen Wirkrichtung orientiert, so dass unter Druck Material des Hybridbauteils 1 durch die Öffnungen 23 zu fließen vermag. Im Bereich zwischen dem Stempel 22 und der Matrize 21 ist ein erstes Bauteil 2 und ein zweites Bauteil 3 des Hybridbauteils 1 angeordnet. Die beiden Bauteile 2, 3 sind zueinander lose angeordnet. An seiner dem zweiten Bauteil 3 zugewandten Seite 4 weist das erste Bauteil 2 eine Struktur 5 auf. Die Struktur 5 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel mehrere Erhebungen 6, die sich von einer Grundplatte 7 des ersten Bauteils 2 ausgehend in Richtung des zweiten Bauteils 3 erstrecken. Zur Wahrung der Übersichtlichkeit ist lediglich eine der Erhebungen 6 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Erhebungen 6 sind als Rippen und/oder Stifte ausgebildet. Als rippenförmige Ausgestaltung erstrecken sie sich vorzugsweise zueinander parallel in Längs- und/oder Querrichtung des ersten Bauteils 2. In einer stiftförmigen Ausgestaltung der Erhebungen 6 weisen diese vorzugsweise eine zylindrische und/oder n-eckige Form auf. Es ist aber auch jegliche andere geometrische Form denkbar.
Das erste Bauteil 2 ist benachbart zum Stempel 22 in der Fließpressvorrichtung 20 angeordnet. Das zweite Bauteil 3 ist im Bereich zwischen dem ersten Bauteil 2 und der Matrize 21 angeordnet. Die Fließpressvorrichtung 20 kann hier nicht dargestellte Mittel aufweisen, die die beiden Bauteile 2, 3 zueinander in einer vorbestimmten Position halten.
Beim Verschieben des Stempels 22 in Wirkrichtung wird gemäß 1b an der dem ersten Bauteil 2 abgewandten Seite 8 des zweiten Bauteils 3 eine Kontur 9 ausgebildet. So übt der Stempel 22 einen derart starken Druck auf das zweite Bauteil 3 aus, dass dieses zum Fließen gebracht wird. Infolgedessen wird Material des zweiten Bauteils 3 derart durch die Öffnungen 23 der Matrize 21 gepresst, dass die Kontur 9 des zweiten Bauteils 3 ausgebildet wird. Vorliegend ist die Kontur 9 in Form von Kühlrippen und/oder Kühlerhebungen ausgebildet, die mittels Konvektion eine gute Wärmeabfuhr an ein hier nicht dargestelltes Wärmetauschermedium, insbesondere Luft, Wasser oder Öl, sicherstellt.
Während des Fließpressverfahrens wird neben der Ausbildung der fließgepressten Kontur 9 des zweiten Bauteils 3 zugleich eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil 2, 3 ausgebildet. Demnach weist das erste Bauteil 2 einen größeren Elastizitätsmodul auf als das zweite Bauteil 3. Infolgedessen bleibt die Struktur 5 des ersten Bauteils 2 während des Fließpressverfahrens im Wesentlichen erhalten. Unter Einwirkung von Druck fließt demnach lediglich das zweite Bauteil 3. Neben der Ausbildung der Kontur 9 fließt Material des zweiten Bauteils 3 somit zugleich im Verbindungsbereich 10 auch in die Struktur 5 des ersten Bauteils 2 hinein, so dass die beiden Bauteile 2, 3 form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden werden.
In Abhängigkeit der gewählten Elastizitätsmoduln des ersten und zweiten Bauteils 2, 3, bleibt die Struktur 5 des ersten Bauteils entweder vollständig erhalten oder verformt sich – wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel – zumindest teilweise. Demnach werden beim Verpressen der beiden Bauteile 2, 3 die Erhebungen 6 des ersten Bauteils 2 derart verformt, dass zumindest teilweise Hinterschneidungen 11 ausgebildet werden. Das zweite Bauteil 3 formt sich somit beim Hineinfließen in das erste Bauteil 2 derart in die Hinterschneidungen 11 der Struktur 5 ein, dass das zweite Bauteil 3 eng an der Struktur 5 des ersten Bauteils 2 anliegt. Hierdurch wird eine sehr feste Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 2 und dem zweiten Bauteil 3 sichergestellt. Des Weiteren liegt eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit zwischen den beiden Bauteilen 2, 3 vor, da sämtliche Freiräume vom zweiten Bauteil 3 ausgefüllt sind. Das zweite Bauteil 3 fließt somit zum einen zur Ausbildung der Kontur 9 in Wirkrichtung des Stempels 22 und zum anderen zum formschlüssigen Verbinden der beiden Bauteile 2, 3 im Wesentlichen entgegen die Wirkrichtung des Stempels 22 in die Struktur 5 des ersten Bauteils 2 hinein.
2 zeigt einen Querschnitt durch das Hybridbauteil 2 mit dem miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbundenen ersten und zweiten Bauteil 2, 3. Vorliegend ist das Hybridbauteil 2 als Kühlkörper ausgebildet, der Wärme vom ersten Bauteil 2 in Richtung der Kontur 9 des zweiten Bauteils 3 leitet. Mittels Konvektion wird die Wärme im Bereich der Kontur 9 an das hier nicht dargestellte Wärmetauschermedium, insbesondere Luft, Wasser oder Öl, abgeleitet. Aufgrund des in die Struktur hineingeflossenen Materials des zweiten Bauteils ist die Wärmeübergangsfläche im Verbindungsbereich der beiden Bauteilen im Vergleich zu bekannten Lösungen vergrößert, so dass Wärme effektiver und effizienter vom ersten Bauteil in Richtung des zweiten Bauteils zu fließen vermag.
In der in 3 dargestellten Detailansicht des Verbindungsbereichs 10 ist die unregelmäßige Verformung der Struktur 5 des ersten Bauteils 2 gut ersichtlich. Demnach behält die Struktur 5 im Wesentlichen seine grobe Ausgangsform, vorliegend rippenartige Form, bei, wobei die Erhebungen 6 derart verformt sind, dass bereichsweise Hinterschneidungen 11a–11h ausgebildet sind. Die Erhebungen 6 sind zur Ausbildung der Hinterschneidungen 11a–11h zumindest teilweise gestaucht, eingedellt und/oder gebogen. Das zweite Bauteil 3 ist mittels Druck derart in die somit ausgebildeten Hinterschneidungen 11a–11h eingeflossen, dass es eng an der Struktur 5 des ersten Bauteils 2 anliegt. Vorzugsweise sind die Erhebungen 6 im Außenbereich des ersten Bauteils 2 leicht nach außen gebogen.
Ein derartiges Hinterschneiden und/oder Verformen erfolgt, wenn das erste Bauteil 2 aus Kupfer und das zweite Bauteil 3 aus Aluminium ausgebildet ist. Somit liegt zwischen den beiden Bauteilen 2, 3 ein optimales Verhältnis zwischen deren Elastizitätsmoduln vor, so dass eine entsprechende unregelmäßige Verformung der Struktur 5 des ersten Bauteils 2 erfolgt. Hierdurch kann eine besonders feste Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil 2, 3 ausgebildet werden.
Alternativ zu dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel – bei dem die Hinterschneidungen 11 während des Fließpressverfahrens automatisch ausgebildet werden – können die Hinterschneidungen 11 bereits vor dem Fließpressen im ersten Bauteil 2 ausgebildet sein. Demnach weist die Struktur 5 bereits vorgefertigte, definierte Hinterschneidungen 11 auf. Zur Wahrung der Übersichtlichkeit ist lediglich eine dieser Hinterschneidungen 11 mit einem Bezugszeichen versehen. Gemäß 4a und 4b fließt Material des zweiten Bauteils 3 sowohl in Wirkrichtung des Stempels 22, so dass die Kontur 9 ausgebildet wird, als auch entgegen der Wirkrichtung des Stempels 22 in die Struktur 5 des ersten Bauteils 2 hinein. Die Struktur 5 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels Vertiefungen 12, insbesondere Bohrungen, ausgebildet. Die Vertiefungen 12 weisen an ihrem dem zweiten Bauteil 3 abgewandten Ende 14 eine Phase auf, mittels derer die jeweilige Hinterschneidung 11 ausgebildet ist. Beim Verpressen der beiden Bauteile 2, 3 fließt gemäß 4b Material des zweiten Bauteils 3 derart in die Vertiefungen 12 der Struktur 5, dass es sich in die Hinterschneidungen 11 der jeweiligen Vertiefungen 12 formschlüssig einformt.
5 zeigt das fertige Hybridbauteil 1 mit dem miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbundenen ersten und zweiten Bauteil 2, 3. Zusätzlich zu der form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil 2, 3 kann zwischen diesen auch eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet sein. Hierfür wird das erste und zweite Bauteil 2, 3 vor dem Fließpressen in einem hier nicht dargestellten Kaltwalzplattierprozess derart miteinander verpresst, dass im Verbindungsbereich 10 eine intermetallische Verbindung 13 ausgebildet wird. Das erste Bauteil 2 und das zweite Bauteil 3 sind somit bereits vor dem Fließpressen stoffschlüssig miteinander verbunden. Um im späteren Fließpressverfahren zusätzlich auch einen Form- und/oder Kraftschluss zwischen den beiden Bauteilen 2, 3 ausbilden zu können, werden in das erste Bauteil 2 zur Ausbildung der Struktur 5 von der dem zweiten Bauteil 3 abgewandten Seite 14 Vertiefungen 12, insbesondere Bohrungen, eingebracht. Diese reichen bis zum zweiten Bauteil 3. Zur Ausbildung der Hinterschneidungen 11 sind die Vertiefungen 12 analog zum in den 4a und 4b beschriebenen Ausführungsbeispiel in ihrem dem zweiten Bauteil 3 abgewandten Ende mit einer Phase versehen. Gemäß 4a und 4b wird das erste Bauteil 2 derart in das zweite Bauteil 3 eingepresst, dass Material des zweiten Bauteils 3 in die Vertiefungen 12 des ersten Bauteils 2 einfließt und sich eng an die Struktur 5, insbesondere die Hinterschneidungen 11, anschmiegt. Gemäß 5 sind die beiden Bauteile 2, 3 somit im Bereich zwischen den Vertiefungen 12 stoffschlüssig mittels der intermetallischen Verbindung 13 sowie im Bereich der Vertiefungen 12 form- und/oder kraftschlüssig verbunden.
Alternativ zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen kann das Hybridbauteil 1 sowohl vorgefertigte Hinterschneidungen 11 gemäß 4a und 4b als auch automatisch während des Fließpressverfahrens durch unregelmäßige Verformung der Struktur 5 ausgebildete Hinterschneidungen 11 gemäß 1a und 1b aufweisen.
In den 6a–6b sowie in der 7 ist jeweils ein drittes und viertes Ausführungsbeispiel des Hybridbauteils 1 gezeigt. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist das Hybridbauteil 1 jeweils zum Einsatz bei hohen Drücken ausgebildet, so dass es sich unter diesen Bedingungen nicht verbiegt, wodurch beispielsweise ein zu kühlende Flüssigkeit aus einem hier nicht dargestellten Gehäuse austreten könnte. Der Druck wirkt auf das Hybridbauteil 1 von derjenigen Seite ein, die der fließgepressten Kontur abgewandt ist.
Zur Erhöhung der Steifigkeit bzw. Festigkeit des Hybridbauteils 1 weist dieses im Bereich seiner der fließgepressten Kontur 9 abgewandten Seite Verstärkungsstreben 15a–15e bzw. Verstärkungsrippen auf. Die Kontur 9 und die Verstärkungsstreben 15a–15e sind demnach an zwei gegenüberliegenden Seiten des Hybridbauteils 1 angeordnet. Es sind somit vorliegend mehrere erste Bauteile 2a–2e mit dem zweiten Bauteil 3 mittels des zuvor beschriebenen Fließpressverfahrens miteinander kraft- und/oder formschlüssig verbunden.
Zur Wahrung der Übersichtlichkeit ist nur eines dieser ersten Bauteile 2a–2e bzw. Verstärkungsstreben 15a–15e mit Bezugszeichen versehen. So weisen die Verstärkungsstreben 15a–15b jeweils einen ersten Bereich 16 und einen zweiten Bereich 17 auf. Der erste Bereich 16 dient sowohl zur Verankerung der Verstärkungsstrebe 15a–15b in dem zweiten Bauteil 3 als auch zum Versteifen des Hybridbauteils 1 und ist form- und/oder kraftschlüssig mit dem zweiten Bauteil 3 verbunden. Der erste Bereich 16 ist derart tief in dem zweiten Bauteil 3 verankert, dass dieser im Wesentlichen bündig mit der der fließgepressten Kontur 9 abgewandten Seite des zweiten Bauteils 3 abschließt. Über diese Seite hinaus ragt der zweite Bereich 17 der Verstärkungsstrebe 15a–15e. Der zweite Bereich 17 wirkt als zusätzliche Versteifung, so dass das Hybridbauteil 1 noch höheren Drücken standhalten kann.
Der erste Bereich 16 weist einer erste und eine zweite Struktur 5a, 5b auf. Jede Struktur 5a, 5b weist zumindest eine Hinterscheidung 11a, 11b auf, in die das zweite Bauteil 3 während des Fließpressverfahrens enganliegend eingeformt wurde. Die beiden Strukturen 5a, 5b sind seitlich im ersten Bereich 16 der Verstärkungsstrebe 15a–15e, insbesondere an zwei ihrer gegenüberliegenden Seiten, angeordnet. Der Elastizitätsmodul der ersten Bauteile 2a–2e bzw. der Verstärkungsstreben 15a–15e ist im Vergleich zu dem aus Aluminium ausgebildeten zweiten Bauteil 3 derart hoch, dass keine Verformung der Verstärkungsstreben 15a–15e, insbesondere im Bereich ihrer Strukturen 5a, 5b erfolgt. Vorzugsweise sind die Verstärkungsstreben 15a–15e aus Stahl, wodurch eine besonders gute Biegesteifigkeit sichergestellt werden kann.
Gemäß 6b, die das Hybridbauteil 1 aus 6a im Längsschnitt zeigt, erstrecken sich die Verstärkungsstreben 15a–15e, vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Länge, in Längsrichtung des Hybridbauteils 1. Ferner sind die Verstärkungsstreben 15a–15e auch im Bereich ihrer beiden Stirnseiten 18a, 18b mit einer Struktur 5c, 5d ausgebildet.
7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des Hybridbauteils 1, das im Wesentlichen dem dritten Ausführungsbeispiel entspricht. Im Unterschied umfassen jedoch die Verstärkungsstreben 15a–15b jeweils nur einen ersten Bereich 16. Sie schließen demnach bündig mit einer Seite des zweiten Bauteils 3 ab.
In einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Hybridbauteil aber auch mindestens zwei erst Bauteile aufweisen, von denen das eine – insbesondere gemäß denen in den 2 und 5 dargestellten ersten Bauteilen – zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und das andere – insbesondere gemäß denen in den 6a und 7 dargestellten Verstärkungsstreben – zum Versteifen des Hybridbauteils ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Hybridbauteil
2: erstes Bauteil
3: zweiten Bauteil
4: zugewandte Seite
5: Struktur
6: Erhebungen
7: Grundplatte
8: abgewandte Seite
9: fließgepresste Kontur
10: Verbindungsbereich
11: Hinterschneidungen
12: Vertiefungen
13: intermetallische Verbindung
14: abgewandtes Ende
15: Verstärkungsstreben
16: erster Bereich
17: zweiter Bereich
18: Stirnseiten
20: Fließpressvorrichtung
21: Matrize
22: Stempel
23: Öffnungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19723590 A1 [0003]

Claims

Fließpressverfahren zum Herstellen eines aus zumindest einem ersten und einem zweiten Bauteil (2; 3) bestehenden Hybridbauteils (1), bei dem zumindest das zweite Bauteil (3) unter Einwirkung von Druck derart zum Fließen gebracht wird, dass an der dem ersten Bauteil (2) abgewandten Seite (8) des zweiten Bauteils (3) eine fließgepresste Kontur (9) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (3) zugleich im Verbindungsbereich (10) mit dem ersten Bauteil (2) in eine Struktur (5) des ersten Bauteils (2) hineinfließt, so dass die beiden Bauteile (2; 3) form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden werden.
Fließpressverfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verbindens der beiden Bauteile (2; 3) das Material des zweiten Bauteils (3) die Struktur (5) des ersten Bauteils (2) hinterscheidet und/oder verformt.
Fließpressverfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) beim Verpressen der beiden Bauteile (2; 3), insbesondere unregelmäßig, verformt wird.
Fließpressverfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) derart verformt wird, dass Hinterschneidungen (11) ausgebildet werden.
Fließpressverfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) vor dem Fließpressen mit Hinterscheidungen (11) ausgebildet wird.
Fließpressverfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das zweite Bauteil (3) beim Hineinfließen in das erste Bauteil (2) in die Hinterschneidungen (11) der Struktur (5) einformt, so dass das zweite Bauteil (3) eng an der Struktur (5) des ersten Bauteils (2) anliegt.
Fließpressverfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (3) zur Ausbildung der Kontur (9), insbesondere durch eine Matrize (21), in Wirkrichtung eines Stempels (22) fließt.
Fließpressverfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (3) zur formschlüssigen Verbindung der beiden Bauteile (2; 3) im Wesentlichen entgegen die Wirkrichtung des Stempels (22) fließt.
Fließpressverfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Fließpressen im Verbindungsbereich (10) der beiden Bauteile (2; 3), insbesondere mittels Kaltwalzplattieren, eine intermetallische Verbindung (13) ausgebildet wird und in das erste Bauteil (2) zur Ausbildung der Struktur (5) von der dem zweiten Bauteil (3) abgewandten Seite (8) Vertiefungen (12), insbesondere Bohrungen, eingebracht werden, die bis zum zweiten Bauteil (3) reichen.
Fließpressverfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei erste Bauteile (2a, 2b, 2c, 2d, 2e), insbesondere als Verstärkungsstreben (15a, 15b, 15c, 15d, 15e) ausgebildet und voneinander beabstandet, mit dem zweiten Bauteil (3) verbunden werden.
Hybridbauteil (1), insbesondere Kühlkörper, mit zumindest einem ersten (2) und einem zweiten Bauteil (3), das an seiner dem ersten Bauteil (2) abgewandten Seite (8) eine fließgepresste Kontur (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des ersten Bauteils (2) größer ist als der des zweiten Bauteils (3) und dass das zweite Bauteil (3) im Verbindungsbereich (10) mit dem ersten Bauteil (2) derart in eine zumindest teilweise hinterscheidende Struktur (5) des ersten Bauteils (2) eingeformt ist, dass die beiden Bauteile (2; 3) form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Hybridbauteil nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridbauteil (1) im Rahmen eines Fließpressverfahrens, insbesondere nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, hergestellt ist.
Hybridbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des ersten Bauteils (2) derart gewählt ist, dass die Struktur (5) zumindest teilweise unregelmäßig verformt ist, insbesondere derart, dass Hinterschneidungen (11) ausgebildet sind, in die das zweite Bauteil (3) eingeformt ist.
Hybridbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) mittels mehrerer Erhebungen (6), insbesondere Rippen und/oder Stifte, und/oder Vertiefungen (12), insbesondere Nuten und/oder Bohrungen, ausgebildet ist.
Hybridbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (12) durchgängig sind und jeweils an ihrem dem zweiten Bauteil (3) abgewandten Ende (14) eine vorgefertigte Hinterschneidung (11), insbesondere eine Fase, aufweisen, in die das zweite Bauteil (3) eingeformt ist.
Hybridbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (2) aus Kupfer zum Verbessern der Wärmeleitfähigkeit oder aus Stahl zum Verstärken des Hybridbauteils und das zweite Bauteil (3) aus Aluminium ausgebildet ist.
Hybridbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (2a, 2b, 2c, 2d, 2e) als Verstärkungsstrebe (15a, 15b, 15c, 15d, 15e) ausgebildet ist.
Hybridbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (2a, 2b, 2c, 2d, 2e) mit einer Fläche des zweiten Bauteils (3) bündig abschließt und/oder über diese Fläche teilweise hinausragt.
Hybridbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5a, 5b) seitlich an der Verstärkungsstrebe (15a, 15b, 15c, 15d, 15e) ausgebildet ist.
Hybridbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verstärkungsstrebe (15a, 15b, 15c, 15d, 15e) in Längs- und/oder Querrichtung des zweiten Bauteils (3) erstreckt.
Hybridbauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei erste Bauteile (2a, 2b, 2c, 2d, 2e), insbesondere als Verstärkungsstrebe (15a, 15b, 15c, 15d, 15e) ausgebildet und voneinander beabstandet, mit dem zweiten Bauteil (3) verbunden sind.