DE102014010445B4 - Verfahren und Reibschweißvorrichtung zur Herstellung eines Strukturbauteils - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (1), insbesondere für eine Kraftfahrzeugkarosserie, wobei durch das Reibschweißverfahren ein erster Bereich (11) eines ersten Bauteils (2) mit einem ersten Bereich (12) eines zweiten Bauteils (3) verbunden wird, wobei durch das Reibschweißverfahren ein zweiter Bereich (13) des ersten Bauteils (2) mit einem zweiten Bereich (14) des zweiten Bauteils (3) verbunden wird, wobei das erste Bauteil (2) und das zweite Bauteil (3) in ein Werkzeug (4) zur Durchführung des Reibschweißverfahrens eingelegt werden, wobei die Bauteile (2, 3) beim Einlegen in das Werkzeug (4) derart geformt sind, dass es nicht möglich ist, die ersten Bereiche (11, 12) beider Bauteile miteinander in Kontakt zu bringen und gleichzeitig die zweiten Bereiche (13, 14) beider Bauteile (2, 3) miteinander in Kontakt zu bringen ohne das erste und/oder zweite Bauteil (2, 3) zu verformen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (2) durch das Werkzeug (4) derart verformt wird, dass sowohl die ersten Bereiche (11, 12) beider Bauteile (2, 3) als auch die zweiten Bereiche (13, 14) beider Bauteile (2, 3) miteinander in Kontakt gelangen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils und eine Reibschweißvorrichtung.
  • Das Reibschweißen oder Vibrationsschweißen ist ein Verfahren zur Herstellung stoffschlüssiger Verbindungen zwischen Bauteilen. Diese werden in einer Kontaktzone aneinandergepresst und sodann derart relativ zueinander bewegt, dass es in der Kontaktzone zu einer Erwärmung und Plastifizierung und der Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Werkstoffen der beiden Bauteile kommt. Dabei ist es regelmäßig nicht notwendig, dass die Schmelztemperatur der beteiligten Werkstoffe erreicht wird. Durch die durch Druck und Bewegung induzierte Erwärmung und Plastifizierung der Werkstoffe kann bis hin zum Schmelzen in der Schweißzone eine Art teigige bis flüssige Konsistenz der Werkstoffe während der Durchführung des Verfahrens erzielt werden, ohne die unmittelbare Umgebung der Schweißverbindung stark zu erhitzen. So offenbart die DE 10 2013 217 388 A1 das Verschweißen zweier Organobleche, die eine Metallhülse mit Gewinde trägen; das Verschweißen erfolgt mittels Spiegelschweißen oder Reibschweißen.
  • Reibschweißverfahren werden insbesondere auch bei Kunststoffteilen angewendet. Hier sind diese insbesondere vorteilhaft, weil sie es ermöglichen, auf kostengünstige Weise auch komplex geformte Strukturbauteile miteinander zu verbinden. Dies ist beispielsweise in der DE 10 2006 058 268 A1 und in der DE 10 2005 049 460 A1 beschrieben.
  • Ein Hauptanwendungsfeld für derartige komplex geformte Kunststoffteile ist die Kraftfahrzeugindustrie. Die Kunststoffteile finden dabei typischerweise als Verkleidungselemente Verwendung. Im Zuge der steigenden Anforderung nach geringen Fahrzeuggewichten besteht jedoch zunehmend der Wunsch, die gute Formbarkeit von Kunststoffen hinsichtlich komplexer Bauteilformen zu nutzen, um komplex geformte und dadurch leichte und steife Strukturbauteile insbesondere auch im Karosseriebereich einsetzen zu können, wo sie auch als tragende Bauteile dienen sollen. Die DE 101 15 568 A1 offenbart ein Dachelement für ein Fahrzeug, bei dem die Dachteile auch mittels Reibschweißen verbunden sind. Die DE 102 30 410 A1 offenbart ein Armaturenbrett, bei dem stabilisierende Streben gefaltet und auch durch Reibschweißen miteinander verbunden werden. Dies resultiert in entsprechend höheren Anforderungen an Festigkeit und Steifigkeit derartiger Bauteile als es beispielsweise bei Verkleidungselementen der Fall ist.
  • Dabei können komplex geformte Kunststoffteile regelmäßig als sogenannte offene Profile günstig hergestellt werden, d.h. es handelt sich um Profile, die keine oder nur minimale Hinterschneidungen aufweisen und in eine Richtung offen gestaltet sind, d.h. etwaige Verstärkungsrippen weisen in eine Richtung, die letztendlich der Öffnungsrichtung des zur Herstellung des Strukturbauteils verwendeten Werkzeugs entspricht. Um die heutigen Anforderungen an Festigkeit und Steifigkeit jedoch erfüllen zu können, ist es oftmals notwendig, derartige geschlossene Profile zu schließen, d.h. ein weiteres Kunst-stoffteil an die vom ersten Kunststoffteil abstehenden Verstärkungsrippen bzw. Stege derart anzubringen, dass zwischen dem offenen Profil und dem sogenannten Schließteil ein Hohlraum entsteht, in dem sich die Verstärkungsrippen befinden. Ein so entstehendes geschlossenes Profil weist eine signifikant höhere Steifigkeit auf. Hierdurch können manche Anforderungen, z.B. an die Resonanzfrequenz eines Strukturbauteils, überhaupt erfüllt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Faser-Verbund-Kunststoffe verwendet werden, bei denen in die Kunststoffmatrix Kohlen-, Glas- oder Basaltfasern eingelegt sind, die dem Bauteil eine hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit verleihen.
  • Es ist dabei bekannt, offene Profile durch Reibschweißen mit entsprechend gestalteten Schließteilen zu verbinden, um so geschlossene Profile zu erzeugen. DE 10 2012 014 385 A1 offenbart einen Seitenaufprallträger, der durch einen Deckel verstärkt wird, wobei der Deckel durch Reibschweißen mit dem Träger verbunden wird. Der Ablauf solcher Verfahren ist beispielhaft in der 1 zum Stand der Technik dargestellt. Nachteilig daran ist jedoch, dass zur Erzeugung des geschlossenen Profils aus dem offenen Profil prinzipiell ein kompletter zweiter Herstellungsprozess zur Herstellung des Schließteils notwendig ist, welcher insbesondere einen separaten Umformprozess bei der Herstellung des Schließteils beinhaltet. Hierdurch entstehen die entsprechenden Kosten zum einen für die Durchführung des Umformprozesses selbst, zum anderen für die notwendige Logistik und das Teilehandling, welches im Rahmen heutzutage oftmals ausgelagerter Prozesse anfällt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche die Herstellung eines Strukturbauteils mit geringeren Kosten ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Reibschweißvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein erstes Bauteil durch ein Werkzeug zur Durchführung eines Reibschweißverfahrens verformt wird. Die Verformung verläuft dabei derart, dass Bereiche der Bauteile, die miteinander verschweißt werden sollen und vor der Umformung des ersten Bauteils nicht miteinander hätten in Kontakt gebracht werden können, durch die Umformung miteinander in Kontakt gelangen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Umformschritt, der durch das Werkzeug zur Durchführung des Reibschweißverfahrens durchgeführt wird, die Durchführung des Reibschweißverfahrens und zwar insbesondere die simultane Durchführung des Reibschweißverfahrens für eine Mehrzahl zu verbindender, voneinander beabstandeter Bereiche überhaupt erst ermöglicht wird.
  • Dabei handelt es sich bei dem ersten Bauteil, welches vorzugsweise dem Schließteil entspricht, vorzugsweise um ein Faser-Verbund-Kunststoffteil, wie beispielsweise GFK, CFK oder BFK (Glas-Faser-Kunststoff, Kohle-Faser-Kunststoff oder Basalt-Faser-Kunststoff). Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Bauteil um ein flaches flächiges Halbzeug aus einem derartigen Faser-Kunststoffverbund, welches in einer unprofilierten flächigen Form als Halbzeug bereitgestellt wird. Derartige flächige Elemente werden aufgrund ihrer blechähnlichen Eigenschaften auch als Organobleche bezeichnet.
  • Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung derart gestaltet, dass die Umformung durch das Reibschweißwerkzeug erfolgen kann. Dies wird insbesondere durch eine Konturierung am ersten Bauteil angreifender Bereiche des Werkzeugs, insbesondere eines am ersten Bauteil angreifenden Werkzeugteils ermöglicht. Die Konturierung ist derart, dass durch sie das Bauteil eine Form erhält, bei der die durch das Reibschweißverfahren zu verbindenden Bereiche beider Bauteile miteinander in Kontakt gelangen können.
  • Vorzugsweise weist die Vorrichtung entsprechende Antriebsmittel zur Durchführung der Umformung auf. Durch solche Antriebsmittel wird insbesondere ermöglicht, dass die beiden Werkzeugteile, die jeweils ein Bauteil aufnehmen und entsprechend der Anforderungen eines Reibschweißprozesses relativ zueinander bewegt und mit einer entsprechenden Andruckkraft beaufschlagt werden können, auch derart relativ zueinander verfahrbar sind, dass durch die relative Bewegung beider Werkzeugteile der erfindungsgemäße Umformschritt bewirkt werden kann.
  • Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn es sich bei dem zweiten Bauteil um ein offenes Profil handelt. Ein solches offenes Profil kann dann mit dem ersten Bauteil verschlossen werden. Dabei wird es insbesondere in Richtung seiner offenen Profilierung mit dem ersten Bauteil verbunden. Es ist dabei möglich, das erste Bauteil insbesondere mit den in Öffnungsrichtung des Profils abstehenden Bereichen zu verbinden. Hierdurch wird ein geschlossenes Profil erzeugt, wobei das erste Bauteil als Schließteil dient. Durch die geschlossene Struktur des Profils wird die Steifigkeit signifikant erhöht. Dabei wird das erste Bauteil vorzugsweise mit einer Vielzahl von Bereichen, die sich insbesondere auch an Verstärkungsrippen des offenen Profils befinden können, verschweißt.
  • Vorteilhafterweise findet im Zusammenhang mit der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Erwärmung des ersten und/oder zweiten Bauteils statt. Diese dient zum einen dazu, den Reibschweißprozess zu unterstützen, zum anderen wird die Umformbarkeit, insbesondere des ersten Bauteils, dadurch verbessert. In diesem Zusammenhang ist die erfindungsgemäße Durchführung von Umformung und Reibverschweißung in dem gleichen Werkzeug insbesondere auch deswegen vorteilhaft, da das erste Bauteil vor der Umformung nicht ein weiteres Mal erwärmt werden muss.
  • Das Erwärmen erfolgt vorzugsweise durch eine Strahlungsbeheizung, d.h. es werden Infrarot-Leuchtkörper in der Anlage für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, d.h. insbesondere in der erfindungsgemäßen Reibschweißvorrichtung vorgesehen. Die Heizelemente, bei denen es sich insbesondere um Infrarot-Leuchtkörper handelt, können dabei auch im Werkzeug angeordnet sein. Dementsprechend kann das Erwärmen der Bauteile außerhalb des Werkzeugs jedoch in einem hinreichend engen räumlichen Zusammenhang geschehen, um die Bauteile im erwärmten Zustand in das Werkzeug einlegen zu können, ohne dass diese zwischenzeitlich erkalten, oder aber auch innerhalb des Werkzeugs stattfinden.
  • Alternativ oder ergänzend können auch andere Heizsysteme zum Einsatz kommen. Beispielweise ist es möglich, das Bauteil durch Gaskonvektion zu erwärmen, beispielsweise durch eine Flamme, insbesondere durch eine Erdgasflamme, oder Heizelemente zu verwenden, die die Wärme durch direkten Kontakt übertragen. Darüber hinaus sind auch Mischformen der Wärmeübertragung denkbar, bei denen beispielsweise ein Teil der übertragenen Wärme als Strahlungswärme übertragen wird und ein anderer Teil der übertragenen Wärme durch Gaskonvektion übertragen wird.
  • In diesem Zusammenhang ist es möglich, das erste und/oder zweite Bauteil vollständig zu erwärmen. Es ist jedoch auch denkbar, gezielt einzelne Bereiche zu erwärmen bzw. bevorzugt einzelne Bereiche zu erwärmen, beispielsweise indem eine Infrarotheizung derart gestaltet wird, dass die Infrarotstrahlung auf ausgewählte zu erwärmende Bereiche fokussiert wird. Bei einer solchen bereichsweisen Erwärmung ist es vorteilhaft, gezielt die Bereiche zu erwärmen, die reibverschweißt werden sollen bzw. die bei der Umformung eine plastische Verformung erfahren sollen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 5 schematisch näher erläutert.
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Herstellungsverfahrens für ein Strukturbauteil nach dem Stand der Technik.
    • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens.
    • 3 und 4 zeigen perspektivische Darstellungen eines ersten und eines zweiten Bauteils aus verschiedenen Perspektiven.
    • 5 zeigt ein aus den 3 und 4 dargestellten Bauteilen zusammengefügtes Strukturbauteil.
  • Das nach dem beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare Strukturbauteil 1 wird durch Reibverschweißen eines ersten Bauteils 2 und eines zweiten Bauteils 3 hergestellt. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden das erste Bauteil 2 und das zweite Bauteil 3 in ein Werkzeug 4 einer Reibschweißvorrichtung 5 eingelegt.
  • Dabei weist die beispielhafte erfindungsgemäße Reibschweißvorrichtung 5 eine Heizeinrichtung 6 auf. Mit der Heizeinrichtung 6 kann in vorteilhafter Weise das erste Bauteil 2 erwärmt werden, bevor es durch die Reibverschweißung mit dem zweiten Bauteil 3 zu dem Strukturbauteil 1 verbunden wird.
  • Das in 2 gezeigte erfindungsgemäße Werkzeug 4 weist ein erstes Werkzeugteil 7 und ein zweites Werkzeugteil 8 auf. Das erste Werkzeugteil 7 greift am ersten Bauteil an. Das zweite Werkzeugteil 8 greift am zweiten Bauteil 3 an. Die Werkzeugteile 7 und 8 werden mit einer Kraft beaufschlagt, die sich aus den Kraftkomponenten FU für die Umformung des ersten Bauteils 2 und der Kraftkomponente FR für die für den Reibschweißvorgang benötigte Andruckkraft zusammensetzt. Im gezeigten Beispiel wirken beide Kräfte in die gleiche Richtung Z.
  • Für die Durchführung des Reibschweißverfahrens wird das Werkzeug 7 relativ zum Werkzeug 8 in einer von der Wirkrichtung der Kraftkomponente FR verschiedenen, vorzugsweise zu dieser senkrechten Richtung X bewegt. Alternativ oder ergänzend zu der beispielhaft dargestellten linearen Bewegung sind andere, beispielsweise kreisende Bewegungen möglich. Dabei beträgt die Amplitude der Bewegung vorzugsweise 0,2 bis 4 mm und die Frequenz der Bewegung vorzugsweise 100 Hz bis 280 Hz.
  • Durch das Reibschweißverfahren entsteht im gezeigten Beispiel ein Strukturbauteil 1 mit geschlossenem Profil. Dabei ist im gezeigten Beispiel das erste Bauteil 2 als Schließteil und das zweite Bauteil 3 als offenes Profil ausgeführt. Das zweite Bauteil 3 wird in Richtung Z seiner offenen Profilierung mit dem ersten Bauteil 2 verbunden. Dabei bildet sich zwischen dem ersten Bauteil 2 und dem zweiten Bauteil 3 eine Mehrzahl Hohlräume 9 aus, die im gezeigten Beispiel durch die Verstärkungsrippen 10 des zweiten Bauteils 3 voneinander getrennt werden. Die Verstärkungsrippen 10 stehen im gezeigten Beispiel in die Öffnungsrichtung des offenen Profils des zweiten Bauteils 3 vor. Dabei verhindern im gezeigten Beispiel die vorstehenden Verstärkungsrippen 10, dass die ersten Bereiche 11 des ersten Bauteils 2 und die ersten Bereiche 12 des zweiten Bauteils 3 miteinander in Kontakt gelangen, wobei gleichzeitig die zweiten Bereiche 13 des ersten Bauteils 2 und die zweiten Bereiche 14 des zweiten Bauteils 3 miteinander in Kontakt gelangen, bevor das erste Bauteil 2 durch das erfindungsgemäße Verfahren umgeformt worden ist. Dabei kann in vorteilhafter Weise durch die Gestaltung der Reibschweißvorrichtung 5, insbesondere durch die Gestaltung des ersten Werkzeugteils 7 und/oder des zweiten Werkzeugteils 8 gezielt beeinflusst werden, inwieweit die von dem zweiten Bauteil 3 wegstehenden Kanten der Verstärkungsrippen 10 ebenfalls mit dem ersten Bauteil 2 reibverschweißt werden, um eine zusätzliche Versteifung des entstehenden geschlossenen Profils zu erzeugen.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (1), insbesondere für eine Kraftfahrzeugkarosserie, wobei durch das Reibschweißverfahren ein erster Bereich (11) eines ersten Bauteils (2) mit einem ersten Bereich (12) eines zweiten Bauteils (3) verbunden wird, wobei durch das Reibschweißverfahren ein zweiter Bereich (13) des ersten Bauteils (2) mit einem zweiten Bereich (14) des zweiten Bauteils (3) verbunden wird, wobei das erste Bauteil (2) und das zweite Bauteil (3) in ein Werkzeug (4) zur Durchführung des Reibschweißverfahrens eingelegt werden, wobei die Bauteile (2, 3) beim Einlegen in das Werkzeug (4) derart geformt sind, dass es nicht möglich ist, die ersten Bereiche (11, 12) beider Bauteile miteinander in Kontakt zu bringen und gleichzeitig die zweiten Bereiche (13, 14) beider Bauteile (2, 3) miteinander in Kontakt zu bringen ohne das erste und/oder zweite Bauteil (2, 3) zu verformen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (2) durch das Werkzeug (4) derart verformt wird, dass sowohl die ersten Bereiche (11, 12) beider Bauteile (2, 3) als auch die zweiten Bereiche (13, 14) beider Bauteile (2, 3) miteinander in Kontakt gelangen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Bauteil (2) um ein Faser-Verbund-Kunststoffteil, insbesondere um ein Organoblech, handelt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Bauteil (2) und dem zweiten Bauteil (3) ein Hohlraum (9), vorzugsweise eine Mehrzahl Hohlräume (9), gebildet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Bauteil (2, 3), vorzugsweise in dem Werkzeug (4), zur Ermöglichung der Umformung erwärmt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Bauteil (2, 3) überwiegend, vorzugsweise lediglich im Bereich des ersten und/oder zweiten Bereiches (11, 12, 13, 14) erwärmt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Bauteil (2, 3) durch Strahlung, insbesondere durch Infrarotstrahlung, Gaskonvektion und/oder Kontaktwärmeübertragung erwärmt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (3) ein offenes Profilbauteil ist und vorzugsweise in Richtung Z seiner offenen Profilierung mit dem ersten Bauteil (2) verbunden wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (3) in Richtung des ersten Bauteils (2) vorstehende Verstärkungsstege (10) und/oder -rippen (10) aufweist, die vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich (11, 12) angeordnet sind, insbesondere wobei die Verstärkungsstege (10) und/oder -rippen (10), zumindest bereichsweise, mit dem ersten Bauteil (2) reibverschweißt werden.
  9. Reibschweißvorrichtung (5) mit einem Werkzeug (4), wobei das Werkzeug (4) ein erstes Werkzeugteil (7) zur Aufnahme eines ersten Bauteils (2) und ein zweites Werkzeugteil (8) zur Aufnahme eines zweiten Bauteils (3) aufweist, wobei die Werkzeugteile (7, 8) derart relativ zueinander bewegbar sind, dass eine Reibverschweißung, insbesondere durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der Bauteile (2, 3) durchführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschweißvorrichtung (5), insbesondere das erste Werkzeugteil (7), derart ausgebildet ist, dass das erste Bauteil (2) durch das erste Werkzeugteil (7) umformbar ist.
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