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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils, das einen dünnwandigen Blecheinleger aus einem ersten Material mit einer Materialstärke bis maximal ca. 2 mm und eine gegossene, nur lokal mit dem Blecheinleger verbundene Verstärkungsstruktur aus einem zweiten, anderen Material zur Verstärkung des Blecheinlegers aufweist.
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Ein derartiges Leichtbauteil, insbesondere ein Karosseriebauteil, wird z. B. im Automobilbereich, zur Materialeinsparung und Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig hoher Belastbarkeit eingesetzt. Ein solches Karosseriebauteil wird schwerpunktmäßig als länglicher Träger mit Längen im Bereich von ca. 20 cm bis 1,5 m verwendet, z. B. als Längsträger, Querträger oder als Instrumententafelträger. Weiterhin werden betreffende Leichtbauteile jedoch auch beispielsweise als flächige Bauteile hergestellt, z. B. als Sitzstrukturen. Der Blecheinleger ist bevorzugt aus Stahl oder einem Aluminiumwerkstoff hergestellt. Die Verstärkungsstruktur besteht aus einem von dem ersten Material des Blecheinlegers verschiedenen zweiten Material, bevorzugt aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere Aluminium oder Magnesium, und dient der Verstärkung des Blecheinlegers, indem sie diesen insbesondere gegen lokales Ausbeulen schützt. Die Verbindung zwischen Blecheinleger und Verstärkungsstruktur erfolgt nur in diskreten Bereichen, das heißt nur lokal und nicht flächendeckend, wodurch eine erhebliche Materialeinsparung und Gewichtsreduktion erreichbar ist. Typischerweise sind dabei weniger als 40% der Oberfläche des Blecheinlegers mit der Verstärkungsstruktur verbunden. Die lediglich lokalen Verbindungen werden bevorzugt dort vorgesehen, wo im eingebauten Zustand hohe Belastungen in der Regel durch lokales Ausbeulen auftreten. Die Verstärkungsstruktur weist kein Vollprofil auf und kann beispielsweise rippenförmig oder wabenförmig ausgebildet sein, wobei die Rippen bzw. Waben bevorzugt dünnwandig, insbesondere mit einer Materialstärke zwischen ca. 1 mm und 8 mm ausgeführt sind.
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Es besteht das Bedürfnis, die vorgesehenen Endgeometrien des Blecheinlegers, der Verstärkungsstruktur und des Leichtbauteils als Ganzes mit hoher Maßgenauigkeit herzustellen. Bei der Verbindung des Blecheinlegers mit der Verstärkungsstruktur durch Gießen tritt jedoch die sogenannte Delta-Alpha-Problematik auf, gemäß derer sich das erste Material und das zweite Material aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlich stark ausdehnen. Der dünnwandig ausgeführte Blecheinleger ist während der Herstellung des Leichtbauteils in Bezug auf die Materialstärke gegenüber der Verstärkungsstruktur nicht ausreichend dominant, um bei Auftreten der Delta-Alpha-Problematik zu gewährleisten, dass sich die Geometrie der Verstärkungsstruktur während des Gießens, Erstarrens und Abkühlens an der Geometrie des Blecheinlegers ausrichtet.
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Dies führt zu einem Verzug an dem fertig gestellten Leichtbauteil, wobei unter Verzug in diesem Zusammenhang jede Abweichung der tatsächlich hergestellten Endgeometrie des Blecheinlegers, der Verstärkungsstruktur und des Leichtbauteils als Ganzes von der vorgesehenen Endgeometrie des Blecheinlegers, der Verstärkungsstruktur bzw. des Leichtbauteils als Ganzes zu verstehen ist. Unter vorhergesehener Endgeometrie wird dabei insbesondere die Geometrie verstanden, welche der CAD-Bauteilgeometrie, bzw. der sogenannten Nominalgeometrie entspricht.
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Ein diesbezügliches Leichtbauteil ist beispielsweise aus der
DE 101 53 712 C1 bekannt. Zur Erhöhung der Festigkeit und Steifigkeit des Leichtbauteils ist dessen dünnwandiger Blecheinleger (Materialstärke geringer als 2 mm) aus Stahlblech lokal mit einer gegossenen oder gesinterten Verstärkungsstruktur aus Aluminium verbunden, wobei Teile des Blecheinlegers von der Verstärkungsstruktur zur Erzielung einer kraft- und formschlüssigen Verbindung umgossen sind. Aluminium weist einen höheren mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als Stahl und dehnt sich daher stärker aus. Aufgrund einer durch das Verbinden des Blecheinlegers mit der Verstärkungsstruktur verursachten Delta-Alpha-Problematik und der in Bezug auf seine Materialstärke fehlenden Dominanz des Blecheinlegers gegenüber der Verstärkungsstruktur kommt es in dem fertig gestellten Leichtbauteil zu Verzug mit der Folge, dass Maßtoleranzen nicht eingehalten werden können. Die
DE 101 53 712 C1 liefert noch keinen Ansatz, wie dieser Problematik begegnet werden kann.
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Durch den Einsatz klassischer Nachbehandlungsverfahren, wonach ein fertig gestelltes Leichtbauteil gerichtet wird, kann der Gusswerkstoff so stark belastet werden, dass Risse in der Verstärkungsstruktur oder lokale Beulen in den freien Blechfeldern entstehen. Dies beeinträchtigt die Widerstandsfähigkeit des Leichtbauteils gegen Ausbeulen und die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Blecheinleger und der Verstärkungsstruktur. Auch durch ein Vorsehen von Aufmaßen an dem Blecheinleger können die vorstehend beschriebenen Probleme aufgrund der in Bezug auf seine Materialstärke weiterhin nicht vorhandenen Dominanz des Blecheinlegers gegenüber der Verstärkungsstruktur nicht gelöst werden. Ebenfalls das Einbringen eines Schwindungsmaßes in einer Guss-Werkzeugkavität trägt lediglich dem Schrumpfprozess des Aluminium-Gussbauteils, d. h. dessen Volumenänderung Rechnung, nimmt aber keinen oder nur sehr geringen Einfluss auf die gesamte Bauteilbewegung eines Verbundgusshybriden.
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Aus dem Artikel
"Leichtbau Querträger als Stahlblech-Aluminiumdruckguss-Hybrid" (Pasleigh, N. [et al.] in: "Berechnung und Simulation im Fahrzeugbau 2010", S. 251–264; ISSN 978-3-18-092107-5) ist ein Hybridbauteil bekannt, bei welchem eine Gussstruktur aus Aluminium an einen Blecheinleger angegossen wird. Dabei soll der Blecheinleger eine ”Vorkrümmung” erhalten, welche einer ”Schwindung” der Gusstruktur entgegenwirken soll. Des Weiteren soll bei einem Verbundgussbauteil eine Schwindung jedoch nicht, wie üblich bei Druckgussteilen berücksichtigt werden. Der Artikel liefert noch keine brauchbare und nacharbeitbare technische Lehre, mit welcher die vorstehend genannten Probleme gelöst werden könnten. So erwähnt der Artikel insbesondere, dass vorgegebene Sollmaße nicht vollständig erreicht werden konnten. Der Artikel lehrt lediglich, dass die Geometrie der Guss-Kavität sich nach der Geometrie des Blecheinlegers orientiert, was bereits durch die
DE 101 53 712 C1 impliziert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines eingangs beschriebenen Leichtbauteils bereitzustellen, welches unter Vermeidung der vorstehend beschriebenen Nachteile besonders maßhaltig und leistungsfähig ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen gekennzeichnet durch
- – Bereitstellen einer Konstruktion des Leichtbauteils mit einer vorgesehenen Endgeometrie des Blecheinlegers und der Verstärkungsstruktur,
- – Ermitteln eines hypothetischen Verzugs des Leichtbauteils, welcher entstünde, wenn der Blecheinleger und die Verstärkungsstruktur in ihrer jeweils vorgesehenen Endgeometrie miteinander verbunden würden,
- – Erzeugen einer Vorgeometrie des Blecheinlegers und der Verstärkungsstruktur, wobei genannte Vorgeometrien von der für das herzustellende Leichtbauteil vorgesehenen Endgeometrie des Blecheinlegers bzw. der Verstärkungsstruktur abweichen und den hypothetischen Verzug des Leichtbauteils berücksichtigen
- – Verbinden des Blecheinlegers mit der Verstärkungsstruktur in einer Giessvorrichtung im Zuge eines Gießens der Verstärkungsstruktur in Form von deren Vorgeometrie in der Giessvorrichtung
- – Entnehmen des Leichtbauteils aus der Giessvorrichtung nach Erstarren der Verstärkungsstruktur und
- – Abkühlen des Leichtbauteils.
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Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Blecheinleger, welcher bevorzugt aus Stahl oder einem Aluminiumwerkstoff besteht, und die Verstärkungsstruktur, welche aus einem anderen Material, bevorzugt aus einem Aluminiumwerkstoff, einem Magnesiumwerkstoff oder Stahl besteht, in ihrer jeweiligen Vorgeometrie miteinander zu verbinden, wodurch sich im fertig gestellten Leichtbauteil eine vorgesehene Endgeometrie des Blecheinlegers bzw. der Verstärkungsstruktur und damit des gesamten Leichtbauteils ohne oder nahezu ohne Verzug einstellt. Die Verstärkungsstruktur wird in Form der Vorgeometrie gegossen, insbesondere in einem Druckgussverfahren, wobei im selben Schritt der Blecheinleger, welcher in Form seiner Vorgeometrie gehalten wird, und die Verstärkungsstruktur miteinander verbunden werden. Nachdem die Verstärkungsstruktur erstarrt ist, wird das Leichtbauteil aus der Giessvorrichtung entnommen und erfährt dabei eine Verformung. Während des sich anschließenden Abkühlens des Leichtbauteils verformen sich der Blecheinleger und die Verstärkungsstruktur derart weiter, dass das Leichtbauteil im Ganzen seine Endgeometrie einnimmt.
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Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Konstruktion des Leichtbauteils bereitgestellt, in welcher die Sollmaße und dadurch die Endgeometrie von Blecheinleger und Verstärkungsstruktur innerhalb festlegbarer Toleranzen bestimmt werden.
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Anschließend wird der hypothetische Verzug ermittelt, z. B. mittels rechnergesteuerter Simulation. Unter hypothetischem Verzug ist in diesem Zusammenhang ein Verzug des Bauteils zu verstehen, welcher sich an dem Leichtbauteil durch den Erstarrungs- und Abkühlvorgang einstellt bzw. einstellen würde, wenn der Blecheinleger in Form seiner Endgeometrie vorgehalten und die Verstärkungsstruktur in Form ihrer Endgeometrie mit dem Blecheinleger verbunden wird bzw. würde. In Kenntnis des hypothetischen Verzugs können dann – abweichend von den Sollmaßen des Leichtbauteils – Vormaße und dadurch die Vorgeometrie von Blecheinleger und Verstärkungsstruktur ermittelt werden.
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Der Blecheinleger wird in Form seiner Vorgeometrie vorgehalten, z. B. durch plastisches Verformen, und mit der Verstärkungsstruktur in Form ihrer Vorgeometrie verbunden. Unter Verbinden ist hierbei insbesondere das Angießen, Umgießen und/oder Durchgießen der Verstärkungsstruktur an, um und/oder durch den Blecheinleger zu verstehen, sodass der Blecheinleger und die Verstärkungsstruktur nach dem Gießen form-, kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Nachdem die Verstärkungsstruktur erstarrt ist, wird das Leichtbauteil aus der Giessvorrichtung entnommen. Weil Blecheinleger und Verstärkungsstruktur aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, weisen sie unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Insbesondere dadurch verformt sich das Leichtbauteil während es sich anschließend außerhalb der Giessvorrichtung abkühlt. Die Vorgeometrie von Blecheinleger und Verstärkungsstruktur ist jedoch so gewählt, dass sich Blecheinleger und Verstärkungsstruktur derart verformen, dass sich die Endgeometrie des Leichtbauteils dauerhaft einstellt.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Leichtbauteil – obwohl der Blecheinleger gegenüber der Verstärkungsstruktur nicht dominant ist – nach dem Abkühlen seine vorgesehene Endgeometrie einnehmen, denn dadurch, dass die Vorgeometrie von Blecheinleger und Verstärkungsstruktur aufeinander abgestimmt sind und den hypothetischen Verzug berücksichtigen, arbeiten Blecheinleger und Verstärkungsstruktur Hand in Hand zusammen, um gemeinsam aus ihrer jeweiligen Vorgeometrie in ihre Endgeometrie zu gelangen. Um dabei die Verformung des Leichtbauteils von seiner Vorgeometrie zu seiner Endgeometrie besonders sicher und vorteilhaft für die Verbindungsfestigkeit von Blecheinleger und Verstärkungsstruktur gewährleisten zu können, erfolgt das Entnehmen des Leichtbauteils aus der Giessvorrichtung bevorzugt unmittelbar, nachdem die Verstärkungsstruktur erstarrt ist.
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Durch das vorstehend erläuterte erfindungsgemäße Verfahren ist es insbesondere möglich, ein besonders maßgenaues Leichtbauteil zu fertigen. Die Maßtoleranzen des fertig gestellten Leichtbauteils können durch das erfindungsgemäße Verfahren je nach Bauteilgeometrie und Länge des Leichtbauteils im Bereich von typischerweise +/– 0,5 bis 2 mm gehalten werden. Ein aufwendiges und die Verstärkungsstruktur stark beanspruchendes nachträgliches Richten des Leichtbauteils kann entfallen. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Leistungsfähigkeit des Leichtbauteils in Form dessen Widerstandsfähigkeit gegen Ausbeulen und der Festigkeit der Verbindung zwischen dem Blecheinleger und der Verstärkungsstruktur aus.
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Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich besonders vorteilhaft aus durch
- – Erzeugen und Erhalten einer elastischen oder elastoplastischen Verformung des Blecheinlegers vor einem Verbinden des Blecheinlegers mit der Verstärkungsstruktur,
- – Erhalten der elastischen bzw. elastoplastischen Verformung des Blecheinlegers während des Verbindens des Blecheinlegers mit der Verstärkungsstruktur und
- – Erzeugen der vorgesehenen Endgeometrie des Blecheinlegers (2) und der Verstärkungsstruktur (3) durch Lösen der elastischen bzw. elastoplastischen Verformung des Blecheinlegers.
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Gemäß dieser bevorzugten ersten Ausführungsform wird der Blecheinleger – bevor er mit der Verstärkungsstruktur verbunden wird – im Sinne einer Vorspannung elastisch oder elastoplastisch verformt und die genannte Vorspannung aufrecht erhalten, bis der Blecheinleger mit der Verstärkungsstruktur verbunden worden ist. Nach dem Verbinden wird die Vorspannung des Blecheinlegers gelöst, so dass sich der Blecheinleger rückfedernd zu seiner vorgesehenen Endgeometrie dauerhaft verformen und sich dabei auch die mit dem Blecheinleger verbundene Verstärkungsstruktur derart verformen kann, dass das Leichtbauteil als Ganzes seine vorgesehene Endgeometrie dauerhaft einnimmt.
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Auf der Grundlage des ermittelten hypothetischen Verzugs des Leichtbauteils kann durch eine geeignete Festlegung der Vorspannung des Blecheinlegers und dadurch dessen Vorgeometrie sowie einer geeigneten Festlegung der Vorgeometrie der Verstärkungsstruktur ermöglicht werden, dass sich die vorgesehene Endgeometrie des Blecheinlegers in dem fertig gestellten Leichtbauteil innerhalb vorgebbarer Toleranzen dauerhaft einstellt und auch die mit dem Blecheinleger zu verbindende Verstärkungsstruktur ihre vorgesehene Endgeometrie innerhalb vorgebbarer Toleranzen dauerhaft einnimmt. Dazu kann sich der mit der Verstärkungsstruktur verbundene Blecheinleger aus seiner Vorgeometrie rückfedernd zu seiner vorgesehenen Endgeometrie dauerhaft verformen und die mit ihm verbundene Verstärkungsstruktur kann sich dabei ebenfalls zu ihrer vorgesehenen Endgeometrie verformen.
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Während des Verbindens wird die erzeugte elastische bzw. elastoplastische Verformung des Blecheinlegers weiterhin aufrechterhalten, sodass der Blecheinleger und die Verstärkungsstruktur in ihrer jeweiligen Vorgeometrie miteinander verbunden werden.
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Nachdem der Blecheinleger und die Verbindungsstruktur in der vorstehend beschriebenen Weise miteinander verbunden worden sind, erfolgt die Erzeugung der Endgeometrie des Blecheinlegers, der Verstärkungsstruktur und somit des Leichtbauteils als Ganzes durch Lösen der elastischen bzw. elastoplastischen Verformung des Blecheinlegers. Der Blecheinleger verformt sich rückfedernd zu seiner Endgeometrie und behält diese Geometrie dauerhaft bei. Dabei verformt sich ebenfalls die mit dem Blecheinleger verbundene Verstärkungsstruktur, sodass auch diese dauerhaft ihre jeweils vorgesehene Endgeometrie einnimmt.
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Durch die elastische bzw. elastoplastische Verformung des Blecheinlegers und dessen rückfedernde Verformung zu seiner vorgesehenen Endgeometrie kann besonders effektiv kompensiert werden, dass der dünnwandige Blecheinleger in Bezug auf seine Materialstärke gegenüber der Verstärkungsstruktur nicht ausreichend dominant ist. Auch bei Auftreten der Delta-Alpha-Problematik kann somit besonders sicher gewährleistet werden, dass sich die Geometrie der Verstärkungsstruktur während des Gießens, Erstarrens und Abkühlens derart ändert, dass das Leichtbauteil als Ganzes dauerhaft seine vorgesehene Endgeometrie einnimmt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet das elastische bzw. elastoplastische Verformen des Blecheinlegers vor einem Positionieren des Blecheinlegers in einer mit der Vorgeometrie des Blecheinlegers korrespondierenden Gussform der Giessvorrichtung und Erhalten der erzeugten Vorgeometrie des Blecheinlegers mittels geeigneter Haltemittel. Das elastische bzw. elastoplastische Verformen des Blecheinlegers erfolgt vor dem Positionieren des Blecheinlegers in eine Gussform der Giessvorrichtung, deren Geometrie auf die Vorgeometrie des Blecheinlegers abgestimmt ist. Die Gussform kann dabei vorzugsweise zumindest bereichsweise das Negativ zu dem einzulegenden Blecheinleger in seiner Vorgeometrie bilden. Gemäß dieser Ausführungsform kann der elastisch bzw. elastoplastisch verformte Blecheinleger besonders einfach in seiner Vorgeometrie in die Gussform durch beispielsweise Einlegen ohne wesentlichen Kraft- oder Druckaufwand positioniert werden. Die geeigneten Haltemittel sorgen für eine besonders sichere Erhaltung der Vorgeometrie während des Verbindens des Blecheinlegers mit der Verstärkungsstruktur.
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Eine dazu alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet das elastische bzw. elastoplastische Verformen des Blecheinlegers durch ein Positionieren des Blecheinlegers in einer mit der Vorgeometrie des Blecheinlegers korrespondierenden Gussform der Giessvorrichtung und Erhalten der Vorgeometrie des Blecheinlegers mittels geeigneter Haltemittel. Die Geometrie der Gussform der Giessvorrichtung ist auf die Vorgeometrie des Blecheinlegers abgestimmt und kann vorzugsweise zumindest bereichsweise das Negativ zu dem einzulegenden Blecheinleger in seiner Vorgeometrie bilden. Durch das Positionieren des Blecheinlegers in die Gussform unter Druck- bzw. Kraftaufwand wird die Geometrie des Blecheinlegers in vorgesehenen Bereichen derjenigen der Gussform angepasst. Die geeigneten Haltemittel sorgen anschließend für eine besonders sichere Erhaltung der Vorgeometrie während des Verbindens des Blecheinlegers mit der Verstärkungsstruktur. Diese Ausführungsform bietet insbesondere den Vorteil, dass auf elastisches Verformen vor dem Positionieren verzichtet werden kann.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch das Lösen der elastischen bzw. elastoplastischen Verformung des Blecheinlegers durch Entnehmen des Leichtbauteils aus der Giessvorrichtung nach Erstarren der Verstärkungsstruktur und Abkühlen des Leichtbauteils. Das Leichtbauteil wird nach dem Verbinden aus der Gussvorrichtung entnommen, wenn die Gussschmelze der Verstärkungsstruktur erstarrt ist. Sofern der Blecheinleger noch durch die vorstehend beschriebenen Haltemittel in der Gussform gehalten wird, ist der Blecheinleger von diesen vorher zu lösen. Während des sich anschließenden Abkühlens des Leichtbauteils, in welcher die Gusschmelze der Verstärkungsstruktur zwar erstarrt, aber noch relativ leicht verformbar ist, kann sich der Blecheinleger besonders gut rückfedernd zu seiner vorgesehenen Endgeometrie verformen. Die Verstärkungsstruktur leistet einen besonders geringen Widerstand gegen ihre Verformung durch den Blecheinleger, wodurch auch die Verstärkungsstruktur mit besonders geringem Kraftaufwand aus ihrer Vorgeometrie in ihre vorgesehene Endgeometrie umgeformt werden kann. Diese Ausführungsform leistet einen Beitrag, dass die erfindungsgemäße elastische Verformung bzw. die Vorspannung des Blecheinlegers besonders gering ausfallen kann. Weiterhin kann eine rein elastische Verformung bzw. die Vorspannung wieder vollständig gelöst werden, sodass der Blecheinleger nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dieser Ausführungsform ohne elastische Verformung bzw. Vorspannung vorliegt. Der Blecheinleger kann somit besonders bevorzugt und einfach vor seiner erfindungsgemäßen elastischen Verformung bzw. Vorspannung in seiner vorgesehenen Endgeometrie vorliegen.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Vorgeometrie des Blecheinlegers und der Verstärkungsstruktur hypothetische Eigenspannungen innerhalb des Leichtbauteils berücksichtigen, welche entstünden, wenn der Blecheinleger und die Verstärkungsstruktur in ihrer jeweiligen vorgesehenen Endgeometrie miteinander verbunden würden. Dies ist insbesondere deshalb besonders sinnvoll, weil im Zusammenhang mit dem hypothetischen Verzug des Leichtbauteils unerwünscht hohe Eigenspannungen innerhalb des Leichtbauteils entstehen können, welche sich insbesondere negativ auf die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Blecheinleger und der Verstärkungsstruktur auswirken, die Gefahr eines Ausbeulens des Leichtbauteils erhöhen und somit die Leistungsfähigkeit des Leichtbauteils als Ganzes herabsetzen. Durch eine geeignete Festlegung der Vorgeometrie des Blecheinlegers und der Verstärkungsstruktur, welche neben dem hypothetischen Verzug des Leichtbauteils auch hypothetische Eigenspannungen innerhalb des Leichtbauteils berücksichtigen, kann erreicht werden, dass das fertig gestellte Leichtbauteil besonders geringe Eigenspannungen aufweist und die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Vorgeometrie des Blecheinlegers und/oder der Verstärkungsstruktur in zwei Ebenen von der Endgeometrie abweicht. Der Blecheinleger wird dreidimensional elastisch zur Erzeugung der Vorgeometrie elastisch bzw. elastoplastisch verformt, bevor er mit der Verstärkungsstruktur verbunden wird. Weiterhin kann auch die Verstärkungsstruktur zusätzlich oder alternativ derart gegossen werden, dass sie in einer in drei Dimensionen von ihrer vorgesehnen Endgeometrie abweichenden Vorgeometrie vorliegt. Dadurch können der hypothetische Verzug und die hypothetischen Eigenspannungen innerhalb des Leichtbauteils besonders umfassend berücksichtigt und in dem fertig gestellten Leichtbauteil vermieden werden.
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Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass der hypothetische Verzug und/oder die hypothetischen Eigenspannungen vor dem Erzeugen der Vorgeometrie des Blecheinlegers und der Verstärkungsstruktur durch rechnergestützte Simulationen ermittelt werden. Durch den Einsatz rechnergestützter Simulationen vor dem Erzeugen der Vorgeometrie, z. B. in Form von Finite Elemente Methoden (FEM)-Modellen oder Finite Differenz Methoden(FDM)-Modellen, können der hypothetische Verzug und/oder die hypothetischen Eigenspannungen besonders zuverlässig ermittelt werden, ohne dass aufwendige praktische Versuchsreihen durchgeführt werden müssen.
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In diesem Zusammenhang ist besonders vorteilhaft eine inverse Berücksichtung des ermittelten hypothetischen Verzugs und/oder der hypothetischen Eigenspannungen in der Vorgeometrie des Blecheinlegers und der Verstärkungsstruktur vorgesehen. Mit anderen Worten werden der Verzug und/oder die Eigenspannungen simuliert, welche innerhalb eines Leichtbauteils entstünden, wenn Letzteres herkömmlich, d. h. ohne Erzeugung der erfindungsgemäßen Vorgeometrie des Blecheinlegers und der Verstärkungsstruktur unter Verbindung des Blecheinlegers mit der Verstärkungsstruktur in deren jeweiliger Vorgeometrie, hergestellt würde. Die durch die Simulation gewonnenen Daten, welche den hypothetischen Verzug und/oder die hypothetischen Eigenspannungen innerhalb des herkömmlich hergestellten Leichtbauteils repräsentieren, bestimmen die Festlegung der Vorgeometrie des Blecheinlegers und der Verstärkungsstruktur, wobei der Verzug und/oder die Eigenspannungen invers auf genannte Vorgeometrien übertragen werden. Dies bedeutet, dass beispielsweise ein im Rahmen der Simulation ermittelter hypothetischer Verzug bzw. eine hypothetische Eigenspannung in einer Richtung durch eine elastische Verformung des Blecheinlegers in entgegengesetzter Richtung bzw. eine entsprechende Festlegung der Vorgeometrie der Verstärkungsstruktur berücksichtigt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorteilhaft vorgesehen, dass im Zuge des Giessens der Verstärkungsstruktur entstehende Angüsse und Steiger an Rändern des Blecheinlegers abgetrennt werden. Durch das Giessen der Verstärkungsstruktur können beispielsweise auf der Zufuhrseite des flüssigen zweiten Materials (der Gussschmelze) Angüsse und auf der entgegengesetzten Entlüftungsseite Steiger entstehen. Die Angüsse und Steiger befinden sich an seitlichen Randbereichen des Blecheinlegers und bilden noch einen Widerstand gegen die Bewegung des Blecheinlegers aus seiner Vorgeometrie in Richtung seiner vorgesehenen Endgeometrie, nachdem die elastische Verformung des Blecheinlegers bereits generell gelöst worden ist. Die Angüsse und Steiger werden besonders vorteilhaft an Rändern des Blecheinlegers beispielsweise durch Stanzen abgetrennt. Dadurch kann erreicht werden, dass sich der Blecheinleger und damit auch die Verstärkungsstruktur mit besonders geringem Widerstand und möglichst genau zu ihren vorgesehenen Endgeometrien verformen.
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Die vorstehend erläuterten besonderen Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 1 lassen sich, ebenso wie diverse der weiterhin erläuterten bevorzugten Weiterbildungen, in entsprechender Weise auch auf das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 10 anwenden, welches von einem bombierten Blecheinleger ausgeht und das zusätzlich zu den eingangs beschriebenen Merkmalen gekennzeichnet ist durch
- – Vorhalten des Blecheinlegers in Form einer bombierten Vorgeometrie, welche von einer für das herzustellende Leichtbauteil vorgesehenen Endgeometrie des Blecheinlegers abweicht und einen hypothetischen Verzug des Blecheinlegers berücksichtigt, welcher entstünde, wenn der Blecheinleger in seiner vorgesehenen Endgeometrie mit der Verstärkungsstruktur verbunden würde,
- – elastisches oder elastoplastisches Verformen des Blecheinlegers vor einem Verbinden des Blecheinlegers mit der Verstärkungsstruktur zu seiner vorgesehenen Endgeometrie und Erhalten des Blecheinlegers in diesem Zustand,
- – Verbinden des Blecheinlegers mit der Verstärkungsstruktur in einer Giessvorrichtung im Zuge des Gießens der Verstärkungsstruktur unter weiterem Erhalten der elastischen bzw. elastoplastischen Verformung des Blecheinlegers und
- – Erzeugen der vorgesehenen Endgeometrie des Blecheinlegers und der Verstärkungsstruktur durch Lösen der elastischen bzw. elastoplastischen Verformung des Blecheinlegers.
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Mit anderen Worten ist auch gemäß diesem Verfahren wenigstens für den Blecheinleger eine Vorgeometrie vorgesehen, die von der Endgeometrie abweicht und ähnlich den vorstehenden Verfahren einen hypothetischen Verzug berücksichtigt, sodass nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 10 das Leichtbauteil in seiner vorgesehenen Endgeometrie vorliegt.
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Unter Vorhalten ist in diesem Zusammenhang insbesondere zu verstehen, dass der Blecheinleger durch geeignete Umformverfahren, z. B. Tiefziehen, in seine bombierte Vorgeometrie gebracht wird und somit in geeigneter Form für die weiteren Verfahrensschritte bereitgestellt wird. Der Blecheinleger wird bevorzugt durch Einlegen des bombierten Blecheinlegers in eine Giessvorrichtung in seiner vorgesehenen Endgeometrie elastisch oder elastoplastisch verformt. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Giessvorrichtung eine mit der vorgesehenen Endgeometrie des Blecheinlegers korrespondierende Gussform aufweist, in welche der Blecheinleger unter Druck- bzw. Kraftaufwand eingelegt werden kann und somit in seine vorgesehene Endgeometrie vorgespannt und in diesem Zustand gehalten wird.
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Anschließend wird die Verstärkungsstruktur gegossen und im Zuge dessen der Blecheinleger mit der Verstärkungsstruktur verbunden, wobei der Blecheinleger weiterhin in seiner Endgeometrie vorgespannt gehalten wird. Bevorzugt nach dem Erstarren der Verstärkungsstruktur wird die elastische bzw. elastoplastische Verformung des Blecheinlegers gelöst, was bevorzugt durch Entnehmen des Blecheinlegers aus der Giessvorrichtung unter vorherigem Lösen der Vorspannung geschieht. Der Blecheinleger und die Verstärkungsstruktur können sich jetzt derart verformen, dass sie ihre vorgesehenen Endgeometrien einnehmen.
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Darüber hinaus lassen sich die vorstehend erläuterten besonderen Aspekte der erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 1 und 10 auch ebenso wie diverse der weiterhin erläuterten bevorzugten Weiterbildungen in entsprechender Weise auch auf Verfahren anwenden, gemäß derer der Blecheinleger bombiert vorgehalten und elastisch bzw. elastoplastisch vor seinem Verbinden mit der Verstärkungsstruktur verformt wird, wobei die Verformung zu einer Geometrie erfolgt, welche zwischen der Vorgeometrie und der vorgesehenen Endgeometrie des Blecheinlegers liegt. Diese Verfahren stellen somit einen Kompromiss aus den erfindungsgemäßen Verfahren 1 und 10 dar, womit besonders flexibel auf eine herzustellende Endgeometrie eines Leichtbauteils eingegangen werden kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1 den schematischen Ablauf der Herstellung eines Leichtbauteils einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 den schematischen Ablauf der Herstellung eines Leichtbauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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3 Querschnitte durch ein Leichtbauteil während und nach seiner Herstellung gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 sind einzelne Verfahrensschritte und Phasen 100 bis 500 einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Leichtbauteils 1 schematisch dargestellt. Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Leichtbauteil 1 in einem Verfahrensschritt 100 konstruiert, wobei die vorgesehene Endgeometrie eines Blecheinlegers 2 aus Stahlblech und einer mit Letzterem verbundenen Verstärkungsstruktur 3 aus Aluminium festgelegt werden.
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Der Blecheinleger 2 wird in einem weiteren Verfahrensschritt durch Tiefziehen umgeformt, sodass er danach in einer für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Ausgangsgeometrie, welche seiner vorgesehenen Endgeometrie entspricht, vorliegt, was durch die Phase 200 dargestellt ist.
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In einem ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt wird der Blecheinleger 2 durch Positionieren und Sichern in einer nicht dargestellten Gussform einer ebenfalls nicht dargestellten Giessvorrichtung unter Kraftaufwand elastisch verformt, sodass der Blecheinleger sicher in einer Vorgeometrie, dargestellt durch die Phase 300, in der Gussform gehalten ist. Die Vorgeometrie weicht in zwei Dimensionen von der im Verfahrensschritt 100 festgelegten vorgesehenen Endgeometrie ab und berücksichtigt den durch Simulation bestimmten hypothetischen Verzug des Leichtbauteils 1, welcher entstünden, wenn der Blecheinleger 2 und die Verstärkungsstruktur 3 in ihrer gemäß dem Verfahrensschritt 100 vorgesehenen Endgeometrie miteinander verbunden würden.
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In einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt wird die Verstärkungsstruktur 3 in Form ihrer Vorgeometrie, welche in zwei Dimensionen von ihrer vorgesehenen Endgeometrie abweicht, gegossen und dabei der Blecheinleger 2 mit der Verstärkungsstruktur 3 verbunden. Die rippenförmige Verstärkungsstruktur 3 wird dazu derart in den Blecheinleger 2 eingegossen, dass lokale stoffschlüssige Verbindungen zwischen dem Blecheinleger 2 und der Verstärkungsstruktur 3 entstehen. Der Blecheinleger 2 liegt während dieser Phase 400 weiterhin in seiner Vorgeometrie vor.
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Nachdem die Gusschmelze der Verstärkungsstruktur 3 erstarrt ist, werden der Blecheinleger 2 und die mit ihm verbundene Verstärkungsstruktur 3 aus der Gussform entnommen. Während des sich anschließenden Abkühlens verformt sich der Blecheinleger 2 rückfedernd zu seiner vorgesehenen Endgeometrie. Dabei verformt sich ebenfalls die mit dem Blecheinleger 2 verbundene Verstärkungsstruktur 3, sodass Letztere ebenfalls in der Phase 500 in ihrer vorgesehenen Endgeometrie vorliegt.
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Die in der 2 dargestellten Verfahrensschritte und Phasen 100 bis 500 einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gleichen im Wesentlichen denen der 2 mit dem Unterschied, dass die Vorgeometrie des Blecheinlegers und der Verstärkungsstruktur in drei statt zwei Dimensionen von der vorgesehenen Endgeometrie des Blecheinlegers bzw. der Verstärkungsstruktur abweichen. Weiterhin wird der Blecheinleger 2 nicht elastisch, sondern plastisch zu seiner Vorgeometrie, dargestellt durch die Phase 300, verformt. Auf ein Sichern der Vorgeometrie des Blecheinlegers 2 kann aufgrund der plastischen, nicht rückfedernden Verformung des Blecheinlegers 2 verzichtet werden.
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Die 3 zeigt in einer rechten Teilfigur ein fertig hergestelltes Leichtbauteil 1 und in einer linken Teilfigur einen schematisch dargestellten Verfahrensschritt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Leichtbauteils 1. In der linken Teilfigur ist der Blecheinleger 2 aus einem Stahlblech bereits mit der Verstärkungsstruktur 3 verbunden, welche durch ein Druckgussverfahren gegossen worden ist, und aus einer nicht dargestellten Giessvorrichtung entnommen. Im Zuge des Druckgießens sind auf der Zufuhrseite des flüssigen zweiten Materials, der Gussschmelze aus Aluminium, Angüsse 4 und auf der Entlüftungsseite Steiger 5 entstanden, von denen jeweils einer in 3 dargestellt ist.
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Die Angüsse 4 und Steiger 5 stehen im Wesentlichen seitlich von den seitlichen oberen Rändern 6 des Leichtbauteils 1 ab und bilden einen widerstand gegen die Bewegung des Blecheinlegers 2 aus seiner Vorgeometrie in Richtung seiner vorgesehenen Endgeometrie. Die Angüsse 4 und Steiger 5 werden in einem zusätzlichen Verfahrensschritt an den Rändern 6 des Blecheinlegers 2 und im Wesentlichen im gleichen Winkel wie die Ränder 6 mittels der schematisch dargestellten Stanzwerkzeuge 7 abgetrennt, was durch den Pfeil zwischen der rechten und der linken Teilfigur angedeutet ist. Ohne die nunmehr abgetrennten Angüsse und Steiger ist der Verformungswiderstand, gegen welchen sich der Blecheinleger 2 und die Verstärkungsstruktur 3 zu ihrer Endgeometrie verformen müssen, besonders gering.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10153712 C1 [0005, 0005, 0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Leichtbau Querträger als Stahlblech-Aluminiumdruckguss-Hybrid” (Pasleigh, N. [et al.] in: ”Berechnung und Simulation im Fahrzeugbau 2010”, S. 251–264; ISSN 978-3-18-092107-5) [0007]
