-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils umfassend mindestens zwei unterschiedliche Werkstoffe, welches sich durch folgende Verfahrensschritte auszeichnet:
Bereitstellen eines härtbaren ebenen oder vorgeformten Stahlblechs oder Stahlprofils, Vollständiges oder partielles Erwärmen des Stahlblechs oder Stahlprofils auf Austenitisierungstemperatur,
Einlegen des erwärmten Stahlblechs oder Stahlprofils in ein erstes Werkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten des Stahlblechs oder Stahlprofils zu einem vollständig oder partiell gehärteten Stahlwerkstück, wobei im Zuge des Warmumformens und/oder Presshärtens mindestens eine Ausklinkung in das Stahlblech oder Stahlprofil eingeformt wird, die zur Anbindung mindestens eines zweiten Werkstoffs dient. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechend hergestelltes Bauteil und eine entsprechende Verwendung des Bauteils.
-
Gattungsgemäße Bauteile sowie Verfahren zu ihrer Herstellung sind im Stand der Technik bekannt. Beispielhaft sind in der
deutschen Offenlegungsschrift 10 2011 109 010 ein Bauteil aus einem gehärteten Stahlhalbzeug kombiniert mit einem weiteren Flachteil aus beliebigem Werkstoff sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren offenbart. In dem Stahlhalbzeug wird, nach Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur, im Warmformschritt ein Materialvorsprung erzeugt, der aus der Ebene des Stahlhabzeugs vorragt und eine Länge aufweist, die mehr als der Materialstärke des weiteren anzubindenden Flachteils entspricht. Nach dem Härten wird das weitere Flachteil mit einer entsprechenden Öffnung versehen und auf das Stahlhalbzeug mit dem Materialvorsprung übergreifend aufgelegt, wobei der Materialvorsprung des Stahlhalbzeugs die Öffnung des Flachteils durchgreift. In einem weiteren Schritt wird der Materialvorsprung auf eine Umformtemperatur erwärmt und der Materialvorsprung in einem abschließenden Schritt durch geeignete Mittel auf die Umrandung der Öffnung des Flachteils zur Erzeugung eines Formschlusses plastisch und/oder massiv verformt wird.
-
Nachteilig im Stand der Technik ist, dass das gehärtete Stahlblech an seinem Materialvorsprung erneut erwärmt werden muss, um eine weitere Formung zur formschlüssigen Anbindung eines weiteren Werkstoffs zu ermöglichen, wobei Temperaturen, insbesondere oberhalb von 300°C erforderlich sein können, die abhängig von dem zweiten anzubindenden Werkstoff, insbesondere beim Einsatz von temperaturanfälligen Werkstoffen, den Werkstoff schädigen können. Auch das Gefüge des gehärteten Stahlblechs kann im Verbindungsbereich negativ beeinflusst werden, was bei der Verwendung als crashrelevante Bauteile im Fahrzeug durchaus ein wesentlicher Nachteil sein kann. Zudem ist diese Art der Erzeugung eines Formschlusses sehr aufwendig.
-
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, ein Bauteil sowie eine Verwendung vorzuschlagen, welches bzw. welcher die vorgenannten Nachteile überwindet.
-
Die aufgezeigte Aufgabe für ein Verfahren wird dadurch gelöst, dass als zweiter Werkstoff ein Kunststoff bereitgestellt wird, welcher zur zumindest partiellen Versteifung an dem Stahlwerkstück angebunden wird.
-
Es wurde festgestellt, dass eine Verbindung von artungleichen Werkstoffen, insbesondere bei gehärteten Stahlwerkstücken in Kombination mit Kunststoffen, beispielsweise bei Klebeverbindung nur eine geringe Kraftübertragung möglich ist und Schweißverbindungen, wenn schweißbare Kunststoffe verwendet werden, durch lokalen hohen Wärmeeintrag sich negativ auf die Gefügestruktur des gehärteten Stahlwerkstücks auswirken kann. Erfindungsgemäß wird ein härtbares Stahlblech bereitgestellt. Dieses kann eben oder alternativ bereits kalt vorgeformt, insbesondere nahezu die Endgeometrie aufweisen, ausgebildet sein, was in Fachkreisen auch unter dem Begriff der indirekten oder direkten Warmumformung bekannt ist. Das Stahlblech oder Stahlprofil, welches als geschlossenes ausgebildet sein kann, wird zunächst partiell oder vollständig auf Austenitisierungtemperatur erwärmt, wobei je nach Anforderung des zu fertigenden Bauteils sowie dessen Verwendungszweck im Fahrzeug im Stahlwerkstoff (partiell) unterschiedliche oder durchgehende einheitliche Gefügestrukuren eingestellt werden können. Dies kann über entsprechende Öfen und/oder über entsprechende Umform-/Härtewerkzeuge erfolgen. Sind unterschiedliche Gefügestrukturen im Stahlwerkstück zu berücksichtigen, wird von „tailored tempering” gesprochen, d. h. es wird ein hartes Gefüge und ein weicheres, insbesondere gegenüber dem harten ein duktileres Gefüge eingestellt. Zumindest wird der Stahlwerkstück vollständig oder partiell gehärtet, was durch eine schnelle Abkühlung in einem insbesondere aktiv gekühlten Werkzeug im Zuge des Warmumformens und Presshärtens (direkte Warmumformung) oder im Zuge des Presshärtens (indirekte Warmumformung) erfolgt, wobei sich die Gefügestruktur des zumindest austenitisiertes Bereichs des Stahlblechs durch schroffes Abkühlen in ein martensitisches und/oder bainitisches Gefüge umwandelt, wobei das Erzielen eines martensitischen Gefüges besonders bevorzugt ist. Das Einformen von mindestens einer Ausklinkung erfolgt erfindungsgemäß im Zuge des Warmumformens und/oder Presshärtens, da der Werkstoff im warmen Zustand leicht bearbeitbar ist. Die Ausklinkung, die zacken-, laschen-, kragen- und/oder kronenförmig ausgebildet sein kann, dient der Anbindung mindestens eines zweiten Werkstoffs. Das erfindungsgemäße Verfahren weist weiterhin auf, das als zweiter Werkstoff Kunststoff bereitgestellt wird, welcher zumindest zur partiellen Versteifung an dem vollständig oder partiell gehärteten Stahlwerkstück angebunden wird. Das Vorsehen von Kunststoff vereint neben seinem geringen Gewicht gegenüber metallischen Werkstoffen bei belastungsgerechter Auslegung auch eine partielle Erhöhung der Festigkeit, wodurch die Materialstärke des Stahlwerkstücks gegenüber konventioneller Anwendung weiter reduziert werden kann, was sich durchaus positiv auf die Gesamtmasse des Fahrzeugs auswirken kann. Bevorzugt kommen faserverstärkte Kunststoffe zur Anwendung, insbesondere mit Glas-, Kohle- und/oder Naturfasern, insbesondere mit biologisch abbaubaren Fasern versetzte Kunststoffsysteme, wobei je nach Art der Faser Einfluss auf die Höhe der Festigkeit und Steifigkeit des Kunststoffs genommen werden kann, insbesondere auch durch den Anteil des Füllgehaltes. Insbesondere mit biologisch abbaubaren Kunststoffsystemen (Kunstoffmatrix) imprägnierte Naturfasern sind in Verbindung mit Stahlwerkstoffen vollständig und damit umweltfreundlich recyclingfähig. Die eingesetzten Kunststoffe bzw. vorzugsweise faserverstärkten Kunststoffe sind bis mindestens 200°C temperaturstabil, insbesondere KTL-beständig. Werden Fasern berücksichtigt, sind diese ebenfalls bis mindestens 200°C temperaturstabil, insbesondere KTL-beständig.
-
Gemäß einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ausklinkung gehärtet. Die Ausklinkung wird im Zuge der Warmumformung durch im Werkzeug integrierte Mittel eingeformt, die derart aufeinander abgestimmt sind, dass sie nach der Einformung der Ausklinkung schnell Wärme entziehen und eine Härtung bewirken, wodurch eine weitere Verformung der Ausklinkung nicht mehr möglich ist. Alternativ kann die Ausklinkung nicht gehärtet werden. Dies kann mit den gleichen wie bei der Härtung in dem Werkzeug integrierten Mitteln bewirkt werden, jedoch mit dem Unterschied, dass die Mittel der Ausklinkung im Wesentlichen keine Wärme entziehen, insbesondere wenn die Mittel zur Ausklinkung aus einem schlecht leitenden Material ausgebildet oder temperiert respektive aktiv gewärmt sind.
-
Die nicht gehärtete Ausklinkung wird gemäß einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zuge der Warmumformung in einem Winkel von vorzugsweise 90° aus der Ebene des Stahlwerkstücks eingeformt. Nachdem das Stahlwerkstück vollständig, mit Ausnahme der Ausklinkung oder partiell gehärtet wurde, erfolgt die Verbindung mit einem Kunststoff, der zumindest partiell im Bereich der Ausklinkung angeordnet wird, wobei die Ausklinkung durch den Kunststoff, der vorzugsweise an der entsprechenden Stelle eine Öffnung oder einen Schlitz aufweist, durchgeführt wird. Die Länge der Ausklinkung wird derart gewählt, dass zumindest ein Teil der Ausklinkung, nachdem die beiden Werkstoffe zusammengeführt wurden, übersteht, welcher in einem weiteren Schritt parallel insbesondere mit Kontakt zum Kunststoff zur formschlüssigen Anbindung (kalt), wiederum um 90° umgestellt wird.
-
Vorzugsweise ist der Kunststoff bereits vorgeformt und insbesondere faserverstärkt, der der Geometrie und Abmessung entspricht, insbesondere als passgenaues Kunststoffformteil bereitgestellt wird, um an das Stahlwerkstück angebunden zu werden und um ihm zumindest partiell eine höhere Festigkeit zu verleihen.
-
Die gehärtete Ausklinkung wird gemäß einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zuge der Warmumformung in einem Winkel von insbesondere weniger als 90°, vorzugsweise weniger als 60° und besonders bevorzugt weniger als 45° aus der Ebene des Stahlwerkstücks eingeformt. Nachdem das Stahlwerkstück vollständig oder partiell (mit der Ausklinkung) gehärtet wurde, erfolgt die Verbindung mit einem Kunststoff, wobei das vollständig oder partiell gehärtete Stahlwerkstück in ein zweites Werkzeug, insbesondere in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt wird und das Stahlwerkstück zumindest im Bereich der Ausklinkung mit flüssigem Kunststoff umspritzt und/oder hinterspritzt wird. Durch die vorzugsweise winklige Ausrichtung (spitzer Winkel) der Ausklingung wird eine Art Hinterschnitt bereitgestellt, der insbesondere nach Aushärtung des Kunststoffs, vorzugsweise des faserverstärkten Kunststoffs eine dauerhafte Anbindung an das Stahlwerkstück sicherstellt und ihm zumindest partiell eine höhere Festigkeit verleiht.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Bauteil umfassend mindestens zwei unterschiedliche Werkstoffe, welches ein vollständig oder partiell gehärtetes Stahlwerkstück aufweist, welches mindestens eine Ausklinkung aufweist, über welche mindestens ein zweiter Werkstoff angebunden ist, wobei der zweite Werkstoff zur zumindest partiellen Versteifung des Stahlwerkstücks aus Kunststoff gebildet ist. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf das Vorhergesagte verwiesen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines vorher beschriebenen Bauteils als crashrelevantes Bauteil im Fahrzeug, insbesondere als A-, B-, C-, D-Säule, Längsträger und/oder Querträger. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf das Vorhergesagte verwiesen.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt
-
1: eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
-
2a: eine perspektivische Darstellung einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Bauteils als Vorderansicht,
-
2b: eine erste Ausführungsform eines Teilbereichs des in 2a gezeigten Bauteils als Rückansicht und
-
2b: eine zweite Ausführungsform eines Teilbereichs des in 2a gezeigten Bauteils als Rückansicht.
-
In 1 ist eine Ausführung, insbesondere eine Schrittabfolge eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Ebene härtbare Stahlbleche 1 werden bereitgestellt. Alternativ und hier nicht dargestellt, können auch bereits vorgeformte, die nahezu die Endgeometrie des herzustellenden Stahlwerkstücks aufweisen oder als geschlossene Stahlprofile ausgebildet sein können, bereitgestellt werden. Die Stahlbleche 1 können auch vor ihrer Bereitstellung von einem Coil auf entsprechende Länge abgeschnitten werden und falls ein Beschnitt nicht im Warmumformprozess berücksichtigt ist, auf entsprechende Abmessung besäumt oder alternativ durch Laserhartbeschnitt an dem vollständig oder partiell gehärteten Stahlwerkstück beschnitten werden (hier jeweils nicht dargestellt). Im nächsten Schritt erfolgt die Erwärmung des Stahlblechs 1 auf Austenitisierungstemperatur beispielsweise in einem Rollenherdofen 2. Ebenfalls denkbar, jedoch hier nicht dargestellt, eignen sich auch andere Erwärmungsmittel. In dem gezeigten Beispiel wird das Stahlblech 1 vollständig austenitisiert. Alternativ und hier nicht dargestellt, kann auch nur partiell ein Bereich des Stahlblechs austenitisiert werden.
-
Nach der Erwärmung wird das Stahlblech 1 über geeignete Mittel (hier durch einen Pfeil symbolisiert) von dem Rollengang 2' nach Austrat aus dem Rollenherdofen 2 entnommen und zu einem ersten Werkzeug 3 transferiert und eingelegt. Das Werkzeug 3 umfasst ein Oberwerkzeug 4, das als Stempel ausgebildet ist und ein Unterwerkzeug 5, das als Matrize ausgebildet ist. Bei Bedarf und hier nicht dargestellt, können auch Niederhalter vorgesehen werden. In der Matrize 5 ist mit 7 mindestens ein Vorsprung bzw. eine Erhebung vorgesehen, wobei auf der gegenüberliegenden Seite in dem Stempel 4 mit 6 mindestens eine Einkerbung bzw. Vertiefung vorgesehen ist. Nach Einlegen des austenitisierten Stahlblechs 1 in das Werkzeug 3 erfolgt das Zusammenfahren der beiden Werkzeughälften 4, 5, wobei in der Regel das Unterwerkzeug 5 ortsfest und das Oberwerkzeug 4 relativ zum Unterwerkzeug 5 verfahrbar, symbolisiert durch den senkrecht dargestellten Doppelpfeil, ausgebildet sind. Das Zusammenfahren bewirkt zunächst die Formgebung durch Warmumformen des warmen Stahlblechs und infolge der in der Regel aktiven Kühlung, durch integrierte und hier nicht dargestellte Kühlkreisläufe innerhalb der Werkzeughälften 4, 5, erfolgt eine Abkühlung des noch warmen Stahlblechs, wobei die Wärmeabfuhrrate derart eingestellt wird, dass nach Erreichen der Endposition (UT) ein Presshärten die Umwandlung des austenitische Gefüges in ein vorzugsweise martensitisches Gefüge sicherstellt. Vor Erreichen von UT, wobei der Härteprozess noch nicht abgeschlossen ist und das noch im warmen Zustand befindliche Stahlblech relativ leicht bearbeitbar ist, bewirkt der Vorsprung 7 in der Matrize 5 in Verbindung mit der Einkerbung 6 in dem Stempel 4 durch weitere Relativbewegung der Werkzeughälften 4, 5 zueinander ein Einformen zumindest einer Ausklingung 9 in das Stahlwerkstück 8. Je nach Anwendung bzw. Anbindung des Kunststoffs kann die Ausklinkung 9 gehärtet werden, wobei der Vorsprung 7 und die Einkerbung 6 gekühlt sind bzw. der Ausklinkung 9 Wärme entziehen (hier nicht dargestellt) oder die Auslinkung 9 wird nicht gehärtet, wobei beispielsweise der Vorsprung 7 und die Einkerbung 6 isoliert oder temperiert sind (hier nicht dargestellt).
-
Je nach Bauteil bzw. dessen Verwendung, kann eine vollständige oder partielle Härtung erfolgen, wobei die Bereiche im Stahlwerkstück, die bei einer partiellen Härtung nicht in ein vollständig martensitisches Gefüge umgewandelt werden sollen, vorzugsweise während des Warmumformens und/oder Presshärtens durch im Werkzeug integrierte und hier nicht dargestellte Heizelemente mit Wärme beaufschlagt werden.
-
Wird die Ausklinkung 9 im Zuge des Warmumformens und/oder Presshärtens in einem Winkel von insbesondere weniger als 90°, vorzugsweise weniger als 60° und besonders bevorzugt weniger als 45° aus der Ebene des Stahlwerkstücks 8 eingeformt und gehärtet, wobei eine ungehärtete Ausklinkung 9 ebenfalls denkbar ist, erfolgt in einem weiteren Schritt die Anbindung eines Kunststoffs, wobei das vollständig oder partiell gehärtete Stahlwerkstück 8 in ein zweites Werkzeug, das ein Spritzgießwerkzeug 10 ist, welches wiederum ein Unterwerkzeug und ein Oberwerkzeug 11 umfasst, eingelegt wird und das Stahlwerkstück 8 zumindest im Bereich der Ausklinkung 9 mit flüssigem Kunststoff, der durch Leitungen 12 innerhalb Oberwerkzeugs 11 befördert bzw. injiziert wird, umspritzt und/oder hinterspritzt wird. Durch die insbesondere winklige Ausrichtung der Ausklingung wird eine Art Hinterschnitt bereitgestellt, der insbesondere nach Aushärtung des Kunststoffs, vorzugsweise des faserverstärkten Kunststoffs eine dauerhafte Anbindung an den Stahlwerkstoff sicherstellt und ein Bauteil 15 mit zumindest einer partiell höheren Festigkeit bereitstellt, wobei der ausgehärtete Kunststoff 18 die Ausklinkung vollständig bedeckt.
-
Alternativ wird ein Kunststoff, der bereits vorgeformt und vorzugsweise als faserverstärktes passgenaues Kunststoffformteil 13 ausgebildet ist, bereitgestellt, um an den Stahlwerkstoff 8 angebunden zu werden und um ihm zumindest partiell eine höhere Festigkeit zu verleihen. Die Anbindung mit dem Kunststoffformteil 13, das zumindest partiell im Bereich der Ausklinkung 9 angeordnet wird, erfolgt durch hier nicht dargestellte Mittel, wobei die Ausklinkung 9 durch das Kunststoffformteil 13, das vorzugsweise an der entsprechenden Stelle (Anbindungsstelle) eine Öffnung oder einen Schlitz 13 aufweist, durchgeführt wird. Die Länge der Ausklinkung 9 wird derart gewählt, dass zumindest ein Teil der Ausklinkung 9', nachdem die beiden Werkstoffe 16 zusammengeführt wurden, übersteht, welcher in einem weiteren Schritt parallel insbesondere mit Kontakt zum Kunststoffformteil 13 zur formschlüssigen Anbindung (kalt), wiederum um 90° umgestellt wird.
-
In den 2a bis 2c sind Beispiele eines Bauteils in Form einer B-Säule gezeigt, insbesondere hergestellt nach einem ersten und zweiten erfindungsgemäßen Verfahren. Das Warmumformen und/oder Presshärten von ebenen oder vorgeformten Stahlblechen zu Stahlwerkstücken wurden bereits hinreichend beschrieben.
-
In 2a sind in einer perspektivischen Darstellung eines Stahlwerkstücks 8 in Form einer B-Säule 17 Ausklinkungen 9 gezeigt, die paarweise als Zacken in Form von gleichschenkligen Dreiecken eingeformt sind, wobei die Spitzen der Dreiecke in die Zeichnungsebene (nicht zu sehen) ausgerichtet sind. Alternativ und hier nicht dargestellt, können die Ausklinkungen auch laschen-, kragen- und/oder kronenförmig ausgebildet sein. Die Stelle der Versteifung eines crashrelevanten Bauteils kann vorzugsweise mittels Simulation ermittelt werden. Am Beispiel der B-Säule ist das obere Drittel des Bauteils 17 mit einer höheren Festigkeit zu versehen, wodurch eine Intrusion in Richtung Fahrgastzelle und damit verbunden die Verletzungsgefahr des Oberkörpers/Kopfes des Fahrzeuginsassen auf der Fahrer- und Beifahrerseite, bei einem Seitenaufprall auf ein Minimum reduziert werden kann. Bei der Auslegung der Geometrie der Ausklinkung ist besonders bevorzugt, dass keine geometrische Kerbwirkung resultiert. Die Geometrie der Ausklinkung kann ebenfalls im Rahmen einer Simulation ermittelt werden.
-
In 2b ist ein Teilbereich der 2a als Rückansicht gezeigt. Die Verstärkung mittels Kunststoff, vorzugsweise mittels faserverstärktem Kunststoff ist im Zuge einer Hinterspritzung und/oder Umspritzung erfolgt, wobei der ausgehärtete Kunststoff 18 die Ausklinkungen vollständig bedeckt (vgl. 1, Bauteil 15).
-
Alternativ ist in 2c, als Teilbereich der 2a als Rückansicht dargestellt, die Anbindung mit einem Kunststoffformteil 13 gezeigt, wobei die Länge der Ausklinkung 9, die im Zuge des Warmumformens und/oder Presshärtens nicht gehärtet wurde, derart bemessen ist, dass zumindest ein überstehender Teil der Ausklinkung 9' nach Zusammenführen der beiden Werkstoffe in einem weiteren Schritt parallel und in Kontakt zum Kunststoffformteil 13 zur formschlüssigen Anbindung umgestellt wurde (vgl. 1, Bauteil 16).
-
Die Erfindung kann auf jegliche crashrelevanten Bauteile angewandt werden und ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stahlblech
- 2
- Rollenherdofen
- 2'
- Rollengang
- 3
- Werkzeug
- 4
- Oberwerkzeug/Stempel
- 5
- Unterwerkzeug/Matrize
- 6
- Einkerbung/Vertiefung
- 7
- Vorsprung/Erhebung
- 8
- Stahlwerkstück
- 9
- Ausklinkung
- 9'
- überstehender Teil der Ausklinkung
- 10
- Spritzgießwerkzeug
- 11
- Oberwerkzeug
- 12
- Leitungen
- 13
- Kunststoffformteil
- 14
- Öffnung/Schlitz
- 15
- Bauteil
- 16
- Bauteil
- 17
- B-Säule
- 18
- ausgehärteter Kunststoff
-
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
-
