DE102013222899A1

DE102013222899A1 - Verfahren zur Herstellung eines Stahlprofils, insbesondere eines Stahlträgers

Info

Publication number: DE102013222899A1
Application number: DE201310222899
Authority: DE
Inventors: Achim Wünsch
Original assignee: Origami Steel Corp
Current assignee: Origami Steel Corp
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-05-13
Also published as: EP3068558A1; EP3068558B1; WO2015067780A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlprofils, insbesondere eines Stahlträgers. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen eines Metall-Werkstücks (1; 61), insbesondere eines Bandstahl-Werkstücks, welches bevorzugt eine Dicke von wenigstens 5 mm aufweist, Bilden einer Schwächung im Bereich einer vorgesehenen Biegung des Metall-Werkstücks (1; 61), und Biegen des Metall-Werkstücks (1; 61) zum Erzeugen einer Biegung an dem Metall-Werkstück (1; 61). Zwei Randbereiche des gebogenen Metall-Werkstücks (1; 61) werden miteinander verbunden.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Stahlverarbeitung und Stahlherstellung, insbesondere der Herstellung von Stahlträgern. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlprofils, welches die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Metall-Werkstücks, insbesondere eines Bandstahl-Werkstücks, welches bevorzugt eine Dicke von wenigstens 5 mm aufweist, Bilden einer Schwächung im Bereich einer vorgesehenen Biegung des Metall-Werkstücks und Biegen des Metall-Werkstücks zum Erzeugen einer Biegung an dem Metall-Werkstück. Die Erfindung betrifft ferner ein Stahlprofil.
Verfahren zur Herstellung von Stahlprofilen, insbesondere Stahlträgern, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Häufig werden Stahlprofile in Stahlwerken durch Stranggießen, Warmwalzen oder Kaltwalzen hergestellt. Bekannt sind zudem Stahlprofile, die durch Massivumformen von Stahlrohlingen hergestellt werden. Aus der WO 2012/150352 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlprofils bekannt, bei dem vor dem Biegen des Werkstücks eine Schwächung im Bereich einer vorgesehenen Biegung des Werkstücks gebildet wird.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Stahlträgers und einen verbesserten Stahlträger zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlprofils gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die bekannten Verfahren zur Herstellung von Stahlprofilen, insbesondere Stahlträgern, mehrere Nachteile aufweisen. Zum einen sind die bekannten Verfahren zur Herstellung von Stahlprofilen energieintensiv, arbeitsintensiv und mit hohen Rüst- bzw. Anlaufkosten verbunden. Daraus resultieren hohe Mindestbestellmengen und vergleichsweise lange Lieferzeiten, so dass eine weit vorausschauende Produktionsplanung und ein hoher Lagerbestand notwendig sind, um flexibel auf Kundenbestellungen reagieren zu können.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass eine autonome, flexible und vollautomatische Produktion von Stahlprofilen, bevorzugt direkt von einem Coil bzw. einer Band-Stahlrolle oder ausgehend von Flachstahlwerkstücken ermöglicht wird. Zudem werden Produktionskosten durch vergleichsweise geringe Rüstkosten, geringe Arbeitskosten und geringen Materialverlust niedrig gehalten. Die bei Anwendung des Verfahrens erzielte bedarfsgerechte und zeitnahe Produktion ermöglicht zudem niedrige Lagerungskosten. Des Weiteren arbeitet das Verfahren energieeffizient, sauber und umweltfreundlich. Energie wird insbesondere bei der Verarbeitung von dickwandigem Stahl eingespart.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass Stahlprofile, insbesondere Stahlträger mit hoher Präzision hergestellt werden können. Das Bilden der Schwächung führt dazu, dass das Verhalten des Werkstücks beim Biegen prognostizierbar ist. Durch das Verbinden zweier Randbereiche des gebogenen Metall-Werkstücks wird bevorzugt ein geschlossenes Stahlprofil geschaffen, welches als Stahlträger Verwendung finden kann.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin die Erkenntnis, dass die bevorzugt als Stahlhohlprofil ausgebildeten Stahlträger der vorliegenden Erfindung für jeden Belastungsfall den richtigen Querschnitt bieten. Es können also auf einfache Art und Weise mithilfe des bevorzugt als Stahlhohlprofil ausgebildeten, erfindungsgemäßen Stahlträgers die branchenüblichen Anforderungen, insbesondere die unter den englischen Begriffen „made to measure (load)“ (in deutsch: Hergestellt für den Belastungsfall / maßgeschneidert) und „mass customization“ (in deutsch: Kundenindividuelle Massenproduktion) bekannten Anforderungen erfüllt werden.
Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung die Erkenntnis, dass die bevorzugt als Stahlhohlprofile ausgebildeten erfindungsgemäßen Stahlträger, insbesondere die im Wesentlichen quadratisch ausgebildeten Stahlhohlprofile, durch ihre engen Außenradien dem Architekten mehr Freiheit in der Gestaltung geben, da beispielsweise plan zueinander anliegende Profile nur relative schmale Fugen aufweisen.
Darüberhinaus umfasst die vorliegende Erfindung auch die Erkenntnis, dass die scharfkantigen Innenkanten eines bevorzugt als Stahlhohlprofil und weiter bevorzugt als quadratisches Stahlhohlprofil ausgebildeten Stahlträgers es erlauben, mit relativ geringem Aufwand passgenaue Einsätze wie zum Beispiel Verbindungselemente herzustellen.
Das Metall-Werkstück wird vorzugsweise von einem Bandstahl-Werkstück gebildet. Bevorzugt verläuft die Schwächung des Werkstücks entlang einer vorgesehenen Biegung des Werkstücks. Weiter bevorzugt wird die Schwächung durch Bilden einer Ausnehmung in dem Werkstück gebildet. Dies stellt eine besonders zweckmäßige und einfache Variante zum Bilden einer Schwächung im Bereich einer vorgesehenen Biegung des Werkstücks dar. Unter dem Begriff Kerbung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Ausnehmung zu verstehen, welche derart im Werkstück gebildet wird, dass sie ein offenes Ende, insbesondere zu einer Biegeinnenseite gerichtet, aufweist.
Besonders bevorzugt wird die Schwächung nach dem Biegen durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, bevorzugt durch ein Laserhybrid-Schweißverfahren, verstärkt. Durch das Verstärken einer für das Biegen vorgesehenen Schwächung nach dem Biegen wird ein Stahlprofil mit besonders hoher Steifigkeit hergestellt. Bevorzugt dient das Schweißen dazu, eine beim Biegen teilweise geschlossene Ausnehmung komplett zu schließen. Dabei können beispielsweise aneinanderstoßende Enden der Ausnehmung des Werkstücks durch Schweißen unlösbar verbunden werden. Unter dem Begriff Laserschweißen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das unlösbare Verbinden von zwei Enden eines Stahlprofils unter Verwendung eines optisch fokussierten Laserstrahls mit hoher Intensität zu verstehen. Weiter bevorzugt erfolgt das Schweißen mittels eines fokussierten Laserstrahls, welcher von der Biegeaußenseite des Werkstücks hin zur Biegeinnenseite, insbesondere entlang eines von der Ausnehmung nach dem Biegen gebildeten Nullspalts, gerichtet ist, dessen Fokus bevorzugt innerhalb des Werkstücks liegt. Der Begriff Nullspalt ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung derart zu verstehen, dass die Schenkel der Ausnehmung nach dem Biegen aneinander liegen, z. B. Kontakt haben, ohne eine chemische Verbindung zu bilden. Grundsätzlich ist bei einer einzigen Biegung des Werkstücks ein Schweißen von der Biegeaußenseite des Werkstücks zur Biegeinnenseite hin wie auch von der Biegeinnenseite zur Biegeaußenseite hin unabhängig vom Biegewinkel möglich. Bei der Herstellung eines Stahlprofils können jedoch einige Biegungen nicht von der Biegeinnenseite ausgehend geschweißt werden, da einzelne Biegeinnenseiten bzw. Nullspalte durch benachbarte Leisten des Werkstücks verdeckt werden und somit für einen Laserstrahl nicht zugänglich sind. Zudem kann durch einen Laserstrahl, welcher von der Biegeaußenseite zur Biegeinnenseite gerichtet ist, das Schweißen besonders einfach durchgeführt werden. Bevorzugt wird dabei ein einzelner fokussierter Laserstrahl, anstatt eines oszillierenden Strahls oder zweier partieller Laserstrahlen, verwendet.
Weiter bevorzugt ist in dem Werkstück eine die Schwächung bildende Ausnehmung vorgesehen, wobei die an einer Biegeinnenseite des Werkstücks ausgebildete Ausnehmung nach dem Biegen durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, geschlossen wird. Damit wird ein Verfahren angegeben, mit dem eine Ausnehmung, die beim Biegen zunächst verkleinert wird, durch Schweißen zur Verstärkung des Stahlprofils geschlossen wird. Noch weiter bevorzugt werden Schenkel, welche eine die Schwächung bildende Ausnehmung begrenzen, unlösbar verbunden. Damit wird eine für das Biegen vorgesehene Schwächung zusätzlich nach dem Biegen verstärkt.
Bevorzugt erfolgt das Biegen durch freies Biegen, Schwenkbiegen oder Gesenkbiegen. Weiter bevorzugt erfolgt das Bereitstellen des Werkstücks durch Entrollen einer Bandstahlrolle, insbesondere eines Coils. Unter dem Begriff Coil ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein aufgewickeltes Metallband, beispielsweise in Form einer Bandstahlrolle zu verstehen.
Bevorzugt wird in ein Werkstück, welches als Bandstahlrohling ausgebildet ist, vor dem Biegen eine Ausnehmung eingebracht, die quer zur Längsrichtung des Bandstahlrohlings ausgerichtet ist und zu einer seitlichen Begrenzung des Bandstahlrohlings offen ist. Die Ausnehmung kann beispielsweise als schlitzartige Ausnehmung ausgebildet sein, welche beispielsweise mittels eines Stanzwerkzeugs, eines hochenergetischen Laserstrahls oder eine Stahlsäge seitlich in den Bandstahlrohling eingebracht wird. Die Längsrichtung des Bandstahlrohlings ist dabei vorzugsweise die Richtung, in der sich der Bandstahlrohling während des Herstellungsprozesses bewegt, beispielsweise auf einem Fließband oder einer Rollenförderung. Dies kann insbesondere auch die Richtung sein, in der ein von einer Bandstahlrolle abgewickelter Bandstahl dem Fließband zugeführt wird. Die Ausnehmungen ermöglichen es, dass Arbeitsschritte im Herstellungsprozess in einem ersten Bereich des Bandstahlrohlings ausgeführt werden können, ohne dass dies einen Einfluss auf einen zweiten Bereich des Bandstahlrohlings hat, der von dem ersten Bereich durch die Ausnehmung getrennt ist. Weiter bevorzugt ragt die Ausnehmung derart in den Bandstahlrohling hinein, dass ein Biegemoment in einem ersten Bereich des Bandstahlrohlings, welcher einen ersten Abschnitt der Ausnehmung begrenzt, sich nicht auf einen zweiten Bereich des Bandstahlrohlings überträgt, welcher einen zweiten Abschnitt der Ausnehmung begrenzt. Dadurch wird eine erhebliche Vereinfachung des Herstellungsprozesses eines Stahlprofils bei der Verwendung von Bandstahlrohlingen erzielt. Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgenden Biegungen können vorgenommen werden, ohne dass eine Notwendigkeit besteht, einzelne Abschnitte des Bandstahlrohlings vor dem Biegen komplett voneinander zu trennen. Dabei werden die Ausnehmungen jeweils mit einer vorgegebene Tiefe in den Bandstahlrohling derart eingebracht, dass sich ein Biegemoment in einem ersten Bereich des Bandstahlrohling nicht auf einen zweiten Bereich des Bandstahlrohlings überträgt, die beiden Bereiche aber trotzdem in einem vorgegebenen Abschnitt des Bandstahlrohlings verbunden bleiben. Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsprozess eines Stahlprofils befindet sich der erste Bereich des Bandstahlrohlings beispielsweise in einer Biegevorrichtung, so dass das Werkstück darin gebogen werden kann. Die Ausnehmung dient in diesem Fall dazu, dass die Biegung sich nicht auf einen zweiten Bereich des Bandstahlrohlings überträgt, der sich beispielsweise noch in der Schwächungsvorrichtung befindet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Bilden der Schwächung, insbesondere einer die Schwächung bildenden Ausnehmung, durch Fräsen. Es hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass bei einer durch Walzen oder Prägen gebildeten Ausnehmung Probleme beim Biegen auftreten. Denn beispielsweise beim Walzen einer Ausnehmung treten Materialverschiebungen auf, die zu einem Bruch des Werkstücks beim Biegen führen können. Im Gegensatz dazu werden beim Fräsen Bereiche des Werkstücks, die die Ausnehmung umgeben, nicht oder nur gering beeinflusst.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine die Schwächung bildende Ausnehmung vor dem Biegen einen W-förmigen Bereich auf. Bevorzugt ist der W-förmige Bereich in einem mittleren Bereich der Ausnehmung, in einer Längsrichtung des Werkstücks gesehen, ausgebildet. Zwei innenliegende Schenkel des W-förmigen Bereichs sind bevorzugt in einem Winkel von etwa 90° zueinander ausgerichtet. Eine Ausbildung der Ausnehmung mit einem W-förmigen Bereich ist insbesondere für das Bilden der Ausnehmung durch Fräsen vorteilhaft, da Nachteile, die beim Fräsen einer V-förmigen Ausnehmung auftreten, überwunden werden.
Gemäß einer bevorzugten Fortbildung der vorstehend genannten Ausführungsform schließt sich an die Enden des W-förmigen Bereichs ein erster angeschrägter Bereich an. Dabei sind zwei Schenkel des angeschrägten Bereichs bevorzugt in einem Winkel von etwa 50°bis 110°, insbesondere etwa 90°, zueinander ausgerichtet sind.
Nach einer weiteren bevorzugten Fortbildung der vorstehend genannten Fortbildung geht der erste angeschrägte Bereich in einen zweiten angeschrägten Bereich über, welcher bevorzugt einen größeren Öffnungswinkel als der erste angeschrägte Bereich aufweist. Bevorzugt bilden zwei Schenkel des zweiten angeschrägten Bereichs den Öffnungswinkel. Daher sind die zwei Schenkel des zweiten angeschrägten Bereichs in einem Winkel zueinander ausgerichtet, welcher größer als der Winkel zwischen den zwei Schenkeln des ersten angeschrägten Bereich ist, insbesondere größer als 90°, besonders bevorzugt etwa 122°. Die Formulierung „übergehen in“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen als ein direkter oder indirekter Übergang. Bevorzugt geht der erste angeschrägte Bereich indirekt, insbesondere mittels einer Stufe, in den zweiten angeschrägten Bereich über. Damit wird nach dem Biegen, insbesondere bei einer Biegung von 90°, eine im Wesentlichen U-förmige Lücke an der Biegeinnenseite geschaffen, welche als Korrosionsschutz dient. Durch die vorstehend beschriebene, U-förmige Lücke kann vorteilhaft auch auf die Durchschweißtiefe Einfluss genommen werden. Es kann somit vorteilhaft – je nach Leistung der Laserstrahlquelle – die Durchschweißtiefe bzw. Bauteildicke in den Kanten über die U-förmige Lücke definiert werden. Die U-förmige Lücke kann dabei auch als Schweißnahtvorbereitung für eine weitere Schweißung, beispielsweise MIG (Metall-Intergasschweißen), MAG (Metall-Aktivgasschweißen), MSG (Metall-Schutzgasschweißen) oder Laser-Hybrid-Schweißung, dienen, die anschließend von der Innenseite her ausgeführt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schließt sich an die Enden des W-förmigen Bereichs der Ausnehmung oder an die Enden des ersten angeschrägten Bereichs der Ausnehmung jeweils ein gekrümmter Ausnehmungsabschnitt an. Nach dem Biegen bilden die beiden gekrümmten Ausnehmungsabschnitte gemeinsam an einer Biegeinnenseite des Werkstücks eine U-förmige Lücke, welche als Korrosionsschutz dient. Bevorzugt verlaufen die gekrümmten Ausnehmungsabschnitte ausgehend von den Enden des W-förmigen Bereichs oder ausgehend von den Enden der Schenkeln des angeschrägten Bereichs der Ausnehmung zunächst mit einer großen Krümmung, die zum Ende des Ausnehmungsabschnitts hin stetig abnimmt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schritte b) und c) zweimal bzw. viermal durchgeführt, um durch Schritt c) eine dreiecksförmige bzw. vierecksförmige Trägerstruktur zur Verfügung zu stellen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Stahlprofil, welches nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Stahlprofils weist das Metall-Werkstück, in einem Zustand nach dem Bilden der Schwächung und vor dem Biegen, eine die Schwächung bildende Ausnehmung mit einem W-förmigen Bereich auf.
Nach einer bevorzugten Fortbildung der vorstehend genannten Ausführungsform schließt sich an die Enden des W-förmigen Bereichs der Ausnehmung ein erster angeschrägter Bereich an.
Nach einer weiteren bevorzugten Fortbildung der vorstehend genannten Fortbildung geht der erste angeschrägte Bereich in einen zweiten angeschrägten Bereich über, welcher bevorzugt einen größeren Öffnungswinkel als der erste angeschrägte Bereich aufweist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stahlprofils umfasst einen ersten Wandungsabschnitt, einen zweiten Wandungsabschnitt, welcher sich ausgehend von einem ersten Ende des ersten Wandungsabschnitts erstreckt und in einem Winkel im Bereich von 30° bis 150° zu dem ersten Wandungsabschnitt ausgerichtet ist, und einen dritten Wandungsabschnitt, welcher sich ausgehend von einem zweiten Ende des ersten Wandungsabschnitts erstreckt und in einem Winkel im Bereich von 30° bis 150° zu dem ersten Wandungsabschnitt ausgerichtet ist, wobei ein Ende des ersten Wandungsabschnitts und ein Ende des zweiten Wandungsabschnitts zum Verbinden aneinander liegen. Durch diese Ausführungsform wird bevorzugt ein im Querschnitt im Wesentlichen dreiecksförmiger Stahlträger erzielt. Weiter bevorzugt beträgt der Winkel zwischen dem ersten und zweiten Wandungsabschnitt sowie der Winkel zwischen dem ersten und dritten Wandungsabschnitt etwa 60°, insbesondere bei einer im Querschnitt gleichseitigdreiecksförmigen Ausbildung.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des Stahlprofils umfasst einen ersten, zweiten und dritten Wandungsabschnitt, wobei der zweite und dritte Wandungsabschnitt sich jeweils ausgehend von dem ersten Wandungsabschnitt erstrecken und in einem Winkel von etwa 90° zum ersten Wandungsabschnitt ausgerichtet sind, einen ersten Verbindungsabschnitt, welcher sich ausgehend von dem zweiten Wandungsabschnitt erstreckt und in einem Winkel von etwa 90° zum zweiten Wandungsabschnitt ausgerichtet ist, und einen zweiten Verbindungsabschnitt, welcher sich ausgehend von dem dritten Wandungsabschnitt erstreckt und in einem Winkel von etwa 90° zu dem dritten Wandungsabschnitt ausgerichtet ist, wobei ein Ende des ersten Verbindungsabschnitts und ein Ende des zweiten Verbindungsabschnitts zum Verbinden aneinander liegen. Bevorzugt bilden die beiden Verbindungsabschnitte eine vierte Wandung des Stahlprofils, welche in einem Winkel von etwa 90° zum zweiten und dritten Wandungsabschnitt ausgerichtet ist. So ist das Stahlprofil im Querschnitt gesehen bevorzugt geschlossen, rechteckig ausgebildet. Weiter bevorzugt werden die aneinander liegenden Enden des zweiten Verbindungsabschnitts durch Schweißen miteinander verbunden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Stahlprofils weist das Ende des ersten Verbindungsabschnitts wenigstens eine Nut auf, wobei das Ende des zweiten Verbindungsabschnitts wenigstens eine Feder aufweist, welche korrespondierend zur Nut ausgebildet ist. Dadurch wird eine besonders einfache und gleichzeitig stabile Verbindung zwischen den Verbindungsabschnitten geschaffen. Bevorzugt ist die Nut-Feder-Verbindung gemäß dieser Ausführungsform entlang der Längserstreckung des Stahlprofils ausgeformt. Weiter bevorzugt werden die Enden der Verbindungsabschnitte nach dem Biegen des Metall-Werkstücks durch Schweißen miteinander verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Stahlprofils werden die ersten und zweiten Verbindungsabschnitte mittels wenigstens einer Schwalbenschwanzverbindung miteinander verbunden. Dazu greift bevorzugt eine im Wesentlichen etwa schwalbenschwanzförmige Feder des ersten Verbindungsabschnitts in eine korrespondierende Ausnehmung des zweiten Verbindungsabschnitts ein. Eine Schwalbenschwanzverbindung oder auch eine Taubenschwanzverbindung wird bevorzugt mit Hilfe von Laserstrahlen geschnitten, während eine Nut-Feder-Verbindung bevorzugt gefräst wird.
Zu Vorteilen, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails des vorstehend beschriebenen Stahlprofils und dessen Fortbildungen wird auf die vorangegangene Beschreibung zu den entsprechenden Verfahrensmerkmalen verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen erläutert. Bezüglich der im Folgenden anhand der Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiele wird hiermit ausdrücklich für jedes einzelne der beschriebenen Merkmale unabhängiger und separater und erfindungsgemäßer Schutz beansprucht. Denn jedes einzelne der im Folgenden in Bezug auf die Zeichnungen beschriebenen Merkmale trägt unabhängig von allen anderen beschriebenen Merkmalen bereits zu mindestens einem der vorstehend genannten Vorteile der Erfindung bei.
Die Zeichnungen zeigen:
1 einen Zwischenzustand eines Metall-Werkstücks für ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stahlprofils in einer Seitenansicht,
2 das in 1 gezeigte Metall-Werkstück in einer Draufsicht,
3 das in den 1 und 2 gezeigte Metall-Werkstück in einer perspektivischen Ansicht,
4 das erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stahlprofils in einer Seitenansicht,
5 das in 4 gezeigte Stahlprofil in einer Draufsicht,
6 das in den 4 und 5 gezeigte Stahlprofil in einer perspektivischen Ansicht,
7 einen Abschnitt des Metall-Werkstücks gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stahlprofils in einer Seitenansicht,
8 den in 7 gezeigten Abschnitt des Metall-Werkstücks in einer Draufsicht,
9 den in den 7 und 8 gezeigten Abschnitt des Metall-Werkstücks in einer perspektivischen Ansicht,
10 einen Zwischenzustand eines Metall-Werkstücks für ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stahlprofils in einer Seitenansicht,
11 das in 10 gezeigte Metall-Werkstück in einer Draufsicht,
12 das in den 10 und 11 gezeigte Metall-Werkstück in einer perspektivischen Ansicht,
13 das zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stahlprofils in einer Seitenansicht,
14 das in 13 gezeigte Stahlprofil in einer Draufsicht,
15 das in den 13 und 14 gezeigte Stahlprofil in einer perspektivischen Ansicht,
16 einen Abschnitt des Metall-Werkstücks gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stahlprofils in einer Seitenansicht
17 den in 16 gezeigten Abschnitt des Metall-Werkstücks in einer Draufsicht,
18 den in den 16 und 17 gezeigten Abschnitt des Metall-Werkstücks in einer perspektivischen Ansicht,
19–28 weitere Ausführungsformen der Erfindung,
29 eine Untersuchung der Firma „IWF Ingenieurbüro Uwe Großmann“ vom 26. August 2013, und
30 die Seite 2 der von „Steeltube Institute of North America“ unter dem Titel „Hollow structural sections, column load tables“ im Juli 1997 herausgebenden Broschüre.
Die in den 1 bis 18 dargestellten Ausführungsbeispiele sind keine maßstabsgetreuen Abbildungen. Insbesondere die Tiefe des in den 4–6 und 13–15 gezeigten Stahlprofils 10 in Richtung 20 einer Biegekante 30 ist nicht maßstabsgetreu. In der praktischen Umsetzung wird das Stahlprofil, insbesondere für die Verwendung als Stahlträger, tiefer ausgebildet sein als dargestellt.
1, 2 bzw. 3 zeigen in einer Seitenansicht, Draufsicht bzw. perspektivischen Ansicht ein Metall-Werkstück in einem Zwischenzustand, nachdem es in einem ersten Verfahrensschritt A in Form eines Bandstahl-Werkstücks mit einer Dicke von wenigstens 5 mm bereitgestellt wurde und nachdem in einem zweiten Verfahrensschritt B Ausnehmungen 3, 5, 7 und 9 durch Fräsen im Bereich einer vorgesehenen Biegung des Metall-Werkstücks 1 gebildet wurden.
4, 5 und 6 zeigen das in den 1, 2 und 3 gezeigte Metall-Werkstück in einem zweiten Zwischenzustand, nachdem das Metall-Werkstück 1 in einem Verfahrensschritt C viermal gebogen wurde, nämlich jeweils im Bereich der Ausnehmungen 3, 5, 7 und 9. In dem zweiten Zwischenzustand weist das Metall-Werkstück 1 einen ersten Wandungsabschnitt 11, einen zweiten Wandungsabschnitt 13 und einen dritten Wandungsabschnitt 15 auf. Der zweite und dritte Wandungsabschnitt 13 bzw. 15 erstrecken sich ausgehend von dem ersten Wandungsabschnitt 11 und sind in einem Winkel von 90° zum ersten Wandungsabschnitt 11 ausgerichtet. In dem zweiten Zwischenzustand weist das Metall-Werkstück 1 zudem einen ersten Verbindungsabschnitt 17 auf, welcher sich ausgehend von dem zweiten Wandungsabschnitt 13 erstreckt und in einem Winkel von 90° zum zweiten Wandungsabschnitt 13 ausgerichtet ist. Zudem weist das Metall-Werkstück 1 in dem zweiten Zwischenzustand einen zweiten Verbindungsabschnitt 19 auf, welcher sich ausgehend von dem dritten Wandungsabschnitt 15 erstreckt und in einem Winkel von etwa 90° zu dem dritten Wandungsabschnitt 15 ausgerichtet ist. Die Enden des ersten Verbindungsabschnitts 17 und zweiten Verbindungsabschnitts 19 liegen zum Verbinden aneinander. Dazu weist der zweite Verbindungsabschnitt 19 eine Feder 21 auf, die schwalbenschwanzförmig ausgebildet ist. Der erste Verbindungsabschnitt 17 weist eine zur Feder korrespondierend ausgebildete Nut 23 auf. Wenn das Metall-Werkstück 1 im Bereich der Ausnehmungen 3 und 9 gebogen wird, greift die Feder 21 in die Nut 23 ein und bildet somit eine Verbindung zwischen den Verbindungsabschnitten 17 und 19. Die Enden des ersten Verbindungsabschnitts 17 und zweiten Verbindungsabschnitts 19 werden zudem mittels Schweißen miteinander verbunden.
7, 8 und 9 zeigen einen Abschnitt eines Metall-Werkstücks 1 in einem Zwischenzustand, in dem die Ausnehmung 9 vor dem Biegen abgebildet ist, während die Feder 21 und die Nut 23 ineinander greifen. Die 7, 8 und 9 dienen zur Illustration bevorzugter Winkelabmessungen des Metall-Werkstücks. In der praktischen Anwendung greifen die Feder 21 und Nut 23 erst ineinander, wenn das Metall-Werkstück 1 im Bereich der Ausnehmungen 3 und 9 gebogen ist.
Die Ausnehmung 9 ist in Betrachtungsrichtung der 7 gesehen spiegelsymmetrisch zu einer Achse 12 ausgebildet. Die Ausnehmung 9 weist einen spiegelsymmetrisch zur Achse 12 angeordneten W-förmigen Bereich 31 und einen ersten angeschrägten Bereich 33 auf. Der erste angeschrägte Bereich 33 geht über eine Stufe 34 in einen zweiten angeschrägten Bereich 35 über. Nach dem Biegen C bilden der W-förmige Bereich 31 und der erste angeschrägte Bereich 33 jeweils einen Nullspalt. Der zweite angeschrägte Bereich 35 bildet nach dem Biegen eine U-förmige Nut. Zwei den ersten angeschrägten Bereich 33 bildende Schenkel 37 sind vor dem Biegen C in einem Winkel von etwa 90° zueinander ausgerichtet. Zwei den zweiten angeschrägten Bereich 35 bildende Schenkel 39 sind vor dem Biegen in einem Winkel von etwa 122° zueinander ausgerichtet.
Die Feder 21 und Nut 23 sind im Wesentlichen korrespondierend zueinander ausgebildet. In einem in Betrachtungsrichtung der 7 gesehen unteren Bereich 51 liegen die Feder 21 und Nut 23 im Wesentlichen formschlüssig aneinander. In einem in Betrachtungsrichtung der 7 gesehen oberen Bereich 53 ist die Nut 23 angeschrägt ausgebildet, so dass in einem Übergangsbereich zwischen Feder 21 und Nut 23 ein Kanal 55 gebildet wird. Der Kanal 55 dient bevorzugt zum einen als Freimachung über die der gegenüberliegende Schenkel eingeschränkt wird, und zum anderen bevorzugt als Schweißnahtvorbereitung für die folgende Verschweißung bzw. den Stumpfstoß mit Zusatzmaterial, bevorzugt beispielsweise mittels eines Laserhybrid-Schweißverfahrens.
Die in den 10 bis 18 gezeigten Zwischenzustände eines Metall-Werkstücks 61 sind im Wesentlichen wie die in den 1 bis 9 gezeigten Zwischenzustände aufgebaut. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu der Ausnehmung 9, wie sie in den 1 bis 9 gezeigt ist, zeigen die 10 bis 18 eine Ausnehmung 63 mit einem W-förmigen Bereich 65 und einem angeschrägten Bereich 67. Der angeschrägte Bereich schließt sich jeweils an außen liegende Ende des W-förmigen Bereichs 65 an. Dabei geht der angeschrägte Bereich 67 nicht in einen weiteren angeschrägten über, sondern schließt sich direkt an eine Wandungsinnenseite 69 des Metall-Werkstücks 61 an. Zwei innenliegende Schenkel des Wförmigen Bereichs 65 sind vor dem Biegen des Metall-Werkstücks 61 in einem Winkel von etwa 90° zueinander ausgerichtet. Zwei Schenkel des angeschrägten Bereichs 67 sind vor dem Biegen des Metall-Werkstücks 61 in einem Winkel von etwa 90° zueinander ausgerichtet.
Die 19 bis 28 zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung. Dabei sind gleiche oder funktionsgleiche Teile bzw. Abschnitte mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
19a zeigt einen Querschnitt einer Platine (10 mm dick) eines quadratischen Stahlhohlkörpers, wie er nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Die 19b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt A der 19a. Die 19c zeigt eine Darstellung eines auf der Basis einer Platine gemäß den 19a und 19b fertig gefalteten Werkstücks gemäß der vorliegenden Erfindung.
20a zeigt eine weitere Variante eines Querschnittes einer erfindungsgemäßen Platine (hier 20 mm dick) eines erfindungsgemäßen quadratischen Stahlhohlkörpers. Bei dem in 20a dargestellten Platinenmaterial handelt es sich somit um ein stärkeres Platinenmaterial. Bei einer solchen 20 mm starken Platine müssten bei einer Abwicklung von 90°Grad bereits 28,28 mm Stahl durchgeschweißt werden. Nach dem Stand der Technik sind aber mit Hilfe von Laserstrahlen geschweißte Nähte oberhalb einer Schweißtiefe von 16 mm nicht mehr wirtschaftlich herzustellen. Die in der 20a und auch in dem in 20b gezeigten vergrößerten Abschnitt A der 20a dargestellte weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Platinenmaterials weist zur Überwindung dieser Nachteile vorteilhaft erfindungsgemäß eine Kerbengeometrie auf, die gegenüber der in 19a und 19b dargestellten Kerbengeometrie um eine Ausnehmung erweitert ist, welche in den Ecken für durchschweißbare Materialstärken sorgt. Diese spezielle Kerbengeometrie bzw. dieses spezielle Platinenmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung wurde mit Hilfe der so genannten Finite-Elemente-Methode überprüft und nachgerechnet und auf diesem Wege auch mit herkömmlichen HSS-Profilen (in englisch: Hollow-Structural-Section; in deutsch: Stahlhohlprofil) des Standes der Technik verglichen. Zum Beweis wird als 29 eine entsprechende Studie der Firma IWF Ingenieurbüro Uwe Großmann vom 26. August 2013 beigefügt.
21a zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß gefalteten Profils mit einer Platinendicke von 10 mm, welches Profil im Stoß mit einer Puzzleverklinkung gemäß 21d verbunden ist, welche Verklinkung für eine Laser-Hybrid-Stumpfschweißung/HV ausgelegt wurde. Theoretisch wäre hier schweißtechnisch eine reine Laserstrahlschweißung mit I-Naht-Form möglich; die Erfindung hat jedoch erkannt, dass zum Einfalten der Puzzleverklinkung gemäß 19b und auch 19c eine Phase notwendig ist. Ohne diese Phase lassen sich aufgrund der Erkenntnis der Erfindung die Seitenteile im letzten Schritt nicht verklinken oder einschwenken, siehe auch die weiter unten beschriebene „Blume“. Die Profilkanten dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform werden jeweils bevorzugt mit einer Laserstrahlschweißung von außen durchgeschweißt.
22a zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines gefalteten Profils mit einer Platinenstärke von 10 mm, welches Profil im Stoß mit einer Vorbereitung für einen Stumpfstoß in I-Naht-Form ausgelegt wurde. Die Profilkanten dieser Ausführungsform werden bevorzugt jeweils mit einer Laserstrahlschweißung von außen durchgeschweißt.
Siehe auch die weiteren Ansichten in den 22b und 22c dieser Ausführungsform. Die in den 23a, 23b und 23c abgebildete Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Profils mit einer Platinenmaterialstärke von 20 mm ist im Stoß mit einer Puzzle-Verklinkung für eine Laser-Hybrid-Stumpfschweißung/HV (Halbe V-Naht) hergestellt worden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass sowohl die vorliegende Platinenstärke als auch die weiter oben und im Folgenden beschriebenen Platinenstärken nur ungefähre Millimeterangaben sind, um die konzeptionelle Ausrichtung der entsprechenden Ausführungsform zu beschreiben. Die hier in den 23a, 23b und 23c vorliegende besondere vorteilhafte erfindungsgemäße Kerbengeometrie, wie sie auch in den 20a, 20b und 20c zu sehen ist, d.h. mit einer zusätzlichen Verjüngung, sorgt vorteilhaft und erfindungsgemäß für einen durchweißbaren Nahtbereich in den Ecken. Die Profilkanten werden jeweils bevorzugt mit einer Laserstrahlschweißung von außen durchgeschweißt.
Die 24a, 24b und 24c zeigen in verschiedenen Ansichten eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Profils mit einer Platinenmaterialstärke von etwa 20 mm, welches Profil im Stoß für eine Laser-Hybrid-Stumpfschweißung/HV (Halbe V-Naht) vorbereitet wurde. Die erneut als bevorzugt zu bezeichnende, besondere erfindungsgemäße Kerbengeometrie, wie in Bezug auf die 20a, 20b und 20c oben bereits im Detail beschrieben wurde, mit einer zusätzlichen Verjüngung, sorgt vorteilhaft und erfindungsgemäß für einen durchschweißbaren Nahtbereich in den Ecken. Die Profilkanten dieser Ausführungsform der Erfindung werden bevorzugt jeweils mit einer Laserstrahlschweißung von außen durchgeschweißt.
Die 25a, 25b, 25c, 25d, 25e und 25f zeigt erfindungsgemäße Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Gestaltungsmöglichkeiten der Faltung, die durch das in der vorliegenden Patentanmeldung beschriebene erfindungsgemäße System möglich sind. Dabei zeigt 25a eine einen Winkel bildende Ausführungsform, 25b eine einen U-stahlbildende Ausführungsform, 25c eine ein rechteckiges Hohlprofil bildende Ausführungsform, 25d eine ein dreieckiges Hohlprofil bildende Ausführungsform, 25e eine ein quadratisches Hohlprofil bildende Ausführungsform und 25f eine hexagonales Hohlprofil bildende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 26a, 26b, 26c, 26d, 26e und 26f zeigen die in den 25a, 25b, 25c, 25d, 25e bzw. 25f dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Profilen jeweils in perspektivischer Ansicht.
Die vorstehend auch als „Blume“ bezeichneten Darstellungen der erfindungsgemäßen Ausführungsformen der 27a, 27b, 27c, 27d, 27e und 27f zeigen in der vorstehend genannten Abfolge eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Biegeablaufs bei der Herstellung einer im Wesentlichen quadratischen Hohlsäule.
Die 28 zeigt in der Reihenfolge der Buchstaben a bis q eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Herstellungsprozesses anhand der verwendeten Platine und der eingesetzten Werkzeuge. Dabei zeigt Schritt a das Laserschneiden, Schritt b den Weitertransport zum Schritt c, Schritt c das Kantenfräsen, Schritt d das Fugenfräsen, Schritt e das Fugenfräsen, Schritt f das Fugenfräsen, Schritt g das Fugenfräsen, Schritt h den Weitertransport zum Schritt i, Schritt i das Falten/Biegen, Schritt j das Falten/Biegen, Schritt k das Falten/Biegen, Schritt l das Fertigfalten/Fertig-Biegen, Schritt m das Laserstrahl-Schweißen, Schritt n das Laserstrahl-Schweißen, Schritt o das Laserstrahl-Schweißen, Schritt p das Laserstrahl-Schweißen, Schritt q das Laserstrahl-Schweißen, wobei bei dem Schritt a der Laser zum Laserschneider schematisch dargestellt ist, wobei bei den Schritten c bis g die Fräsvorrichtung jeweils schematisch dargestellt ist, und wobei bei den Schritten m bis q der Laser zum Laserstrahl-Schweißen ebenfalls jeweils schematisch dargestellt ist.
29 zeigt eine Untersuchung der Firma „IWF Ingenieurbüro Uwe Großmann“ vom 26. August 2013, bei der Profile des Standes der Technik mit Ausführungsformen der Erfindung mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode verglichen worden sind. Die vorliegende Erfindung umfasst die Erkenntnisse der Seiten 1 bis 16 der 29. Bei der in dieser mit dem Titel „Comperative Finiteelement Analysis of two HSS-Pilar cross sections under different loads“ bezeichneten Analyse wurde eine Berechnung einer erfindungsgemäßen quadratischen „HSS-Säule“ im Vergleich mit einem marktüblichen Produkt vorgenommen. Bei marktüblichen Produkten handelt es sich insbesondere um solche, wie sie beispielsweise auf der in 30 dargestellten Seite 2 der von „Steeltube Institute of Northamerica“ unter dem Titel „Hollow structural sections, column load tables“ im Juli 1997 herausgegebenen Broschüre dargestellt sind.
Bezugszeichenliste

1: Metall-Werkstück
3, 5, 7, 9: Ausnehmung
10: Stahlprofil
11: erster Wandungsabschnitt
13: zweiter Wandungsabschnitt
15: dritter Wandungsabschnitt
17: erster Verbindungsabschnitt
19: zweiter Verbindungsabschnitt
20: Richtung
21: Feder
23: Nut
30: Biegekante
31: W-förmiger Bereich
33: erster angeschrägter Bereich
34: Stufe
35: zweiter angeschrägter Bereich
37: Schenkel
39: Schenkel
51: unterer Bereich
53: oberer Bereich
55: Kanal
61: Metall-Werkstück
63: Ausnehmung
65: W-förmiger Bereich
67: angeschrägter Bereich
69: Wandungsinnenseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2012/150352 A2 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Stahlprofils, insbesondere eines Stahlträgers, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Metall-Werkstücks (1; 61), insbesondere eines Bandstahl-Werkstücks, welches bevorzugt eine Dicke von wenigstens 5 mm aufweist, b) Bilden einer Schwächung im Bereich einer vorgesehenen Biegung des Metall-Werkstücks (1; 61), c) Biegen des Metall-Werkstücks (1; 61) zum Erzeugen einer Biegung an dem Metall-Werkstück (1; 61), gekennzeichnet durch den Schritt: d) Verbinden zweier Randbereiche des gebogenen Metall-Werkstücks (1; 61).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden der Schwächung, insbesondere einer die Schwächung bildenden Ausnehmung (3; 5; 7; 9; 63), durch Fräsen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine die Schwächung bildende Ausnehmung (3; 5; 7; 9; 63) vor dem Biegen (C) einen W-förmigen Bereich (31; 65) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei sich an die Enden des W-förmigen Bereichs (31; 65) ein erster angeschrägter Bereich (33; 67) anschließt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste angeschrägte Bereich (33) in einen zweiten angeschrägten Bereich (35) übergeht, welcher bevorzugt einen größeren Öffnungswinkel als der erste angeschrägte Bereich (33) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte b) und c) zweimal bzw. viermal durchgeführt werden, um durch Schritt c) eine dreiecksförmige bzw. vierecksförmige Trägerstruktur zur Verfügung zu stellen.
Stahlprofil, welches nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Stahlprofil nach Anspruch 7, wobei das Metall-Werkstück (1; 61), in einem Zustand nach dem Bilden (B) der Schwächung und vor dem Biegen (C), eine die Schwächung bildende Ausnehmung (3; 5; 7; 9; 63) mit einem W-förmigen Bereich (31; 65) aufweist.
Stahlprofil nach Anspruch 8, wobei sich an die Enden des W-förmigen Bereichs (31; 65) der Ausnehmung (3; 5; 7; 9; 63) ein erster angeschrägter Bereich (33; 67) anschließt.
Stahlprofil nach Anspruch 9, wobei der erste angeschrägte Bereich (33) in einen zweiten angeschrägten Bereich (35) übergeht, welcher bevorzugt einen größeren Öffnungswinkel als der erste angeschrägte Bereich (33) aufweist.
Stahlprofil nach einem der Ansprüche 7–10, umfassend: – einen ersten Wandungsabschnitt, – einen zweiten Wandungsabschnitt, welcher sich ausgehend von einem ersten Ende des ersten Wandungsabschnitts erstreckt und in einem Winkel im Bereich von 30° bis 150° zu dem ersten Wandungsabschnitt ausgerichtet ist, und – einen dritten Wandungsabschnitt, welcher sich ausgehend von einem zweiten Ende des ersten Wandungsabschnitts erstreckt und in einem Winkel im Bereich von 30° bis 150° zu dem ersten Wandungsabschnitt ausgerichtet ist, wobei ein Ende des ersten Wandungsabschnitts und ein Ende des zweiten Wandungsabschnitts zum Verbinden aneinander anliegen.
Stahlprofil nach einem der Ansprüche 7–10, umfassend – einen ersten (11), zweiten (13) und dritten Wandungsabschnitt (15), wobei der zweite (13) und dritte Wandungsabschnitt (15) sich jeweils ausgehend von dem ersten Wandungsabschnitt (11) erstrecken und in einem Winkel von etwa 90° zum ersten Wandungsabschnitt (11) ausgerichtet sind, und – einen ersten Verbindungsabschnitt (17), welcher sich ausgehend von dem zweiten Wandungsabschnitt (13) erstreckt und in einem Winkeln von etwa 90° zum zweiten Wandungsabschnitt (13) ausgerichtet ist, und – einen zweiten Verbindungsabschnitt (19), welcher sich ausgehend von dem dritten Wandungsabschnitt (15) erstreckt und in einem Winkeln von etwa 90° zu dem dritten Wandungsabschnitt (15) ausgerichtet ist, wobei ein Ende des ersten Verbindungsabschnitts (17) und ein Ende des zweiten Verbindungsabschnitts (19) zum Verbinden aneinander liegen.
Stahlprofil nach Anspruch 12, wobei das Ende des ersten Verbindungsabschnitts (17) wenigstens eine Nut (23) aufweist und wobei das Ende des zweiten Verbindungsabschnitts (19) wenigstens eine Feder (21) aufweist, welche korrespondierend zur Nut (23) ausgebildet ist.
Stahlprofil nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Enden des ersten (17) und zweiten Verbindungsabschnitts (19) mittels wenigstens einer Schwalbenschwanzverbindung miteinander verbunden werden.