DE102014211510A1

DE102014211510A1 - Energieabsorbierende Struktur und Verfahren zur Herstellung einer energieabsorbierenden Struktur

Info

Publication number: DE102014211510A1
Application number: DE102014211510.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Weisheit; Georg Bergweiler; Markus Bambach; Markus Daamen; Laura Conrads
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft Energieabsorbierende Struktur (5), insbesondere eine Karosserie oder ein Teil einer Karosserie, wobei die Struktur (5) ausgestaltet ist, bei Überschreiten einer mechanischen Belastungsgrenze der Struktur (5), insbesondere durch einen Aufprall oder eine Stoßbelastung, sich gemäß einem vorbestimmten Deformationsablauf der Struktur (5) plastisch zu verformen und dabei Energie aufzunehmen, wobei die Struktur (5) Imperfektionen aufweist, welche ausgebildet sind, den vorbestimmten Deformationsablauf der Struktur (5) nach einem Überschreiten der Belastungsgrenze der Struktur (5) zu begünstigen, wobei die Struktur (5) vollständig oder zumindest bereichsweise aus einem Werkstoff besteht, der weiche Zonen (2) und feste Zonen (3) aufweist, wobei die genannten Imperfektionen die weichen Zonen (2) des Werkstoffs und/oder die festen Zonen (3) des Werkstoffs sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes Herstellungsverfahren für eine derartige Struktur (5).

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine energieabsorbierende Struktur, insbesondere eine Karosserie oder ein Teil einer Karosserie, und ein Verfahren zur Herstellung einer energieabsorbierenden Struktur.
Energieabsorbierende Strukturen werden typischerweise verwendet, um kinetische Energie bei einem Aufprall durch (irreversibles) plastisches Verformen der Struktur zu absorbieren. Entsprechend werden derartige Strukturen etwa in Karosserien von Fahrzeugen integriert, beispielsweise in der Form eines Crashabsorbers, wie beispielsweise einer Crashbox, um bei einer Kollision eines Fahrzeugs mit einem weiteren Fahrzeug oder einem Hindernis möglichst viel der Bewegungsenergie auf möglichst kontrollierte Weise in Verformungsenergie umzuwandeln und so zu absorbieren.
Das Deformationsverhalten solcher Strukturen kann in dynamischen Crashtests sowohl im Zusammenspiel mit weiteren Komponenten des jeweiligen Gesamtsystems (zum Beispiel in Gesamtfahrzeugcrashtests) als auch individuell unter (typischerweise axial vorgegebener) Lasteinwirkung (zum Beispiel in Fallturmversuchen) getestet werden. Sofern kein globales Versagen der Struktur durch einen Biegekollaps auftritt, versagen derartige Strukturen unter unregelmäßigem oder lokalem regelmäßigem Ausbeulen, wodurch ein für die Bauteilgeometrie und Belastung charakteristisches Faltenmuster entsteht. Ein gleichmäßiger und somit stabiler Deformationsablauf (auch als Deformationsprozess bezeichnet) ist dabei vorzuziehen, da dieser die höchste Energieabsorption im Fall axialer Belastung aufweist. Insbesondere kann eine gleichmäßige und vollständig ausgeformte Falte die darauffolgende Falte besonders zuverlässig initiieren und gewährleistet somit einen progressiven und regelmäßigen Ablauf des Faltungsprozesses. Durch unregelmäßiges Faltenbeulen kann zwar prinzipiell ebenfalls eine hohe Energieabsorption erzielt werden, jedoch besteht hier ein höheres Risiko eines Ausknickens des Deformationsbereiches und eines globalen Biegekollapses der Struktur.
Um im Fall eines Aufpralls einen bevorzugten Deformationsablauf der Struktur, wie beispielsweise ein regelmäßiges Faltbeulen der Struktur, vorzugeben oder zumindest zu begünstigen, ist es beispielsweise bekannt, sogenannte Imperfektionen, häufig auch als „Trigger” oder Initiatoren bezeichnet, in die Struktur einzubringen. Als derartige Imperfektionen können beispielsweise vorgeformte Falten, Einkerbungen, Einfalzungen oder auch Bohrlöcher dienen, siehe hierzu beispielsweise DiPaolo, B. P; Monteiro, P. J. M; Gronsky, R.: Quasi-static axial crush responseofa thin-wall, stainless steel box component, veröffentlicht in International Journal of Solids and Structures 41 (2004), Nr. 14, S. 3707–3733.
Nachteilig an den bekannten Maßnahmen zur Steuerung des Deformationsablaufs ist, dass sie oftmals relativ aufwändig in der Herstellung und in manchen Fällen sogar risikobehaftet sind. Besonders beim Einbringen von Löchern oder Kerben steigt die Gefahr, dass die Struktur bei einem realen Aufprall katastrophal versagt, da diese Imperfektionen Orte bevorzugter Rissbildung darstellen können.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine energieabsorbierende Struktur vorzuschlagen, welche die Energie eines Aufpralls auf eine möglichst gut kontrollierbare Weise absorbiert und außerdem möglichst einfach herstellbar ist. Außerdem soll ein möglichst einfaches Herstellungsverfahren für eine möglichst sichere energieabsorbierende Struktur vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine energieabsorbierende Struktur und ein Herstellungsverfahren für eine energieabsorbierende Struktur gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Weiterentwicklungen und bevorzugte Ausführungsbeispiele ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren dieser Patentanmeldung. Die vorgeschlagene Struktur lässt sich durch das vorgeschlagene Herstellungsverfahren herstellen. Entsprechend kann die vorgeschlagene Struktur auch jedes Merkmal aufweisen, welches im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren beschrieben wird. Somit gilt also die vorangegangene wie auch die nachfolgende Beschreibung jeweils für die Struktur wie entsprechend auch für das Herstellungsverfahren.
Bei der vorgeschlagenen energieabsorbierenden Struktur kann es sich beispielsweise um eine Karosserie oder einen Teil einer Karosserie handeln, wie beispielsweise ein Crashabsorber, wie beispielsweise eine Crashbox, ein Querträger, ein Längsträger oder eine A-, B-, C- oder D-Säule einer Karosserie. Die Struktur kann ein Blech sein oder aus einem oder mehreren Blechen gebildet sein bzw. ein oder mehrere Blechteile umfassen. Als Blech kommt insbesondere Feinblech (Blechdicke typischerweise kleiner als 3 mm) in Frage, das vorzugsweise (vor Herstellung der weichen Zonen) mittels Kaltwalzen hergestellt worden ist und durch das Kaltwalzen typischerweise auch einer (ursprünglichen) Kaltverfestigung unterzogen ist. Die Struktur kann als eine Crashbox, ein Hohlträger oder als ein Profil ausgebildet sein oder eines oder mehrere der hier genannten Bauteile umfassen. Das Profil kann beispielsweise stranggepresst oder aus Blechteilen zusammengefügt sein. Bei der Struktur kann es sich ferner um ein Halbzeug oder um ein fertiges Bauteil handeln. Insbesondere kann die Struktur eine Beschichtung des Werkstoffs aufweisen, beispielsweise zum Korrosionsschutz des Werkstoffs, wobei die Beschichtung beispielsweise aus Zink, einer Zinklegierung oder aus einer Aluminiumsiliziumlegierung besteht.
Die Struktur ist dazu ausgestaltet, bei Überschreiten einer mechanischen Belastungsgrenze der Struktur, insbesondere durch einen Aufprall oder eine Stoßbelastung, sich möglichst gemäß einem vorbestimmten Deformationsablauf der Struktur plastisch zu verformen und dabei Energie aufzunehmen. Wenn sich die Struktur gemäß dem vorgegebenen Deformationsablauf verformt, geht die Struktur ausgehend von einer Ausgangsform der Struktur typischerweise in eine vorgegebene Deformationsform über. Um das plastische Verformen der Struktur gemäß dem vorgegebenen Deformationsablauf (und das Annehmen der vorgegebenen Deformationsform) zu begünstigen bzw. zu beeinflussen, weist die Struktur Imperfektionen auf, welche, wie eingangs beschrieben, auch als Trigger oder als Initiatoren bezeichnet werden können. Die Imperfektionen sind dazu ausgestaltet, das plastische Verformen der Struktur nach der Überschreitung der mechanischen Belastungsgrenze gemäß dem vorgegebenen Deformationsablauf lokal zu initiieren und möglichst bis zum Ende des plastischen Verformens möglichst genau zu steuern. Die mechanische Belastungsgrenze kann beispielsweise als eine Triggerkraft definiert sein, die notwendig ist, um die plastische Verformung der Struktur auszulösen.
Die Struktur besteht erfindungsgemäß vollständig oder zumindest bereichsweise aus einem Werkstoff, der weiche Zonen und feste Zonen aufweist, wobei die genannten Imperfektionen die weichen Zonen, die festen Zonen oder die Kombination der weichen Zonen mit den festen Zonen des Werkstoffs sind. Natürlich kann die Struktur zusätzlich auch weitere Imperfektionen bekannter Art aufweisen, wie etwa Bohrlöcher.
Der Werkstoff weist in den weichen Zonen typischerweise eine höhere Duktilität auf als in den festen Zonen. Ferner weist der Werkstoff in den weichen Zonen typischerweise eine geringere Festigkeit auf als in den festen Zonen. Dabei wird Duktilität als ein Maß für die Fähigkeit des Werkstoffs verstanden, sich unter der einer mechanischen Belastung plastisch zu verformen, insbesondere bevor er versagt (bricht, reißt etc.). Dementsprechend wird die Festigkeit des Werkstoffs als Maß für den Widerstand des Werkstoffs gegen plastische (oder elastische) Verformung unter der mechanischen Belastung oberhalb der Belastungsgrenze verstanden. Vorzugsweise ist die Festigkeit des Werkstoffs innerhalb der weichen Zonen soweit reduziert (und entsprechend die Duktilität soweit erhöht), dass die erzielbare Bruchdehnung des Werkstoffs ausreicht, um die gewünschte Verformung gemäß dem vorgegebenen Deformationsablauf möglichst versagensfrei einzuleiten bzw. durchzuführen, so dass also die Struktur während des vorgegebenen Deformationsablaufs möglichst nicht bricht oder reißt. Bevorzugte Werte der Festigkeit und der Duktilität hängen von der konkreten Wahl des Werkstoffs ab. Beispielweise kann der Werkstoff im Fall eines kaltverfestigten Stahls, wie etwa im Fall des Stahls X30Mn29 mit 25% Kaltverfestigung, eine Zugfestigkeit von etwa 870 MPa aufweisen. In den weichen Zonen kann die Zugfestigkeit dann im Vergleich zu den festen Zonen beispielsweise um etwa ein Drittel geringer sein (dies entspricht einem Festigkeitsverhältnis 3:2).
Somit kommt es bei einer Überschreitung der mechanischen Belastungsgrenze gemäß dem vorgegebenen Deformationsablaufs zuerst und vor allem in den weichen Zonen zu plastischen Verformungen der Struktur (die weichen Zonen bilden somit Initiierungsbereiche oder „Triggerbereiche” des vorgegebenen Deformationsablaufs), wohingegen die festen Zonen sich tendenziell später und weniger stark plastisch verformen als die weichen Zonen. Durch eine geeignete Ausgestaltung (Größe, Anordnung, Form etc.) der weichen und festen Zonen kann daher der Deformationsablauf der Struktur gezielt beeinflusst werden, um mit möglichst hoher Wahrscheinlichkeit den vorgegebenen Deformationsablauf der Struktur – und damit auch die vorgegebene Deformationsform – zu erzielen.
Dadurch, dass in den weichen Zonen eine gewisse Duktilität des Werkstoffs vorhanden ist, ist die Gefahr von Rissbildungen im Vergleich zu Bohrlöchern geringer. Außerdem kann mittels der vorgeschlagenen weichen und festen Zonen ein gleichmäßigerer Deformationsablauf erzielt werden als beispielsweise mittels Löchern, bei dem insbesondere auch Kraftspitzen innerhalb der Struktur während dem Deformieren der Struktur, insbesondere beim regelmäßigen Faltenbeulen, reduziert werden können. Außerdem wird mit der Kontrolle über die Deformation auch die Vergleichbarkeit unterschiedlicher Profile und Werkstoffe verbessert. Durch die Verwendung weicher und fester Zonen kann zudem die Energieabsorptionsfähigkeit der Struktur gesteigert werden gegenüber vielen bekannten Imperfektionen. Vorzugsweise sind hierfür auch die festen Zonen nicht allzu fest (und spröde) ausgestaltet, siehe die oben angegebenen Bereiche für Festigkeit und Duktilität des Werkstoffs in den weichen und festen Zonen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Erfindung der Einsatz eines breiteren Werkstoffspektrums ermöglicht wird. Beispielsweise können durch eine lokale Erhöhung der Duktilität und Umformbarkeit höherfeste Werkstoffe eingesetzt werden als bislang und die Struktur somit in vielen Fällen dünnwandiger ausgelegt werden, was wiederum zu einer Gewichtsersparnis bei gleichzeitiger Verbesserung der Sicherheit führt. Auch Werkstoffe, die bisher nicht eingesetzt werden konnten, da sie zu Versagen unter globalem Biegekollaps neigen, können nun ihr Potential aufgrund der verbesserten Steuerung des Deformationsablaufs entfalten.
Typischerweise ist der vorgegebene Deformationsablauf (und die vorgegebene Deformationsform) für eine mechanische Belastung bestimmter Art vorgegeben, wie zum Beispiel für eine bestimmte Art eines Aufpralls der Struktur auf eine stehendes oder bewegtes Hindernis oder eine Einwirkung eines bestimmten Impaktors auf die Struktur, wie etwa eines definierten Testkörpers, eines Fahrzeugs oder eines Geschosses. Diese vorgegebene mechanische Belastung, welche typischerweise eine stoßartige Krafteinwirkung auf die Struktur ist, kann beispielsweise mittels eines oder mehrerer Parameter charakterisiert sein, wie beispielsweise durch die Stärke, die Dauer, den zeitlichen Verlaufs, den Einwirkungsort und/oder die Einwirkungsrichtung der Belastung, sowie im Fall eines Aufpralls insbesondere auch durch die kinetische Energie der Struktur bzw. des Impaktors (oder durch die Geschwindigkeit und der Masse der Struktur bzw. des Impaktors). Insbesondere hängt es typischerweise von der Stärke und Energie der Belastung bzw. des Aufpralls ab, wie weit sich die plastische Verformung der Struktur gemäß dem vorgegebenen Deformationsablauf fortsetzt, so dass der Deformationsweg des vorgegebenen Deformationsablaufs typischerweise von der Energie und/oder der Stärke der Belastung bzw. des Aufpralls abhängig ist. Der vorgegebene Deformationsablauf (wie auch die vorgegeben Deformationsform) kann also in Abhängigkeit von einem oder mehreren der oben genannten Belastungsparameter definiert sein.
Beispielsweise können Crashtests (z. B. Fallturmversuche, Gesamtfahrzeugcrashs) dazu dienen, die weichen und festen Zonen auf systematische Weise so zu optimieren, dass zumindest unter definierten (Labor-)Bedingungen der vorgegebene Deformationsablauf (und die vorgegebene Deformationsform) möglichst genau und zuverlässig erreicht wird. Hierzu können auch Eigenfrequenzanalysen der Struktur dienen, bei der die weichen und/oder die festen Zonen der Struktur in Abhängigkeit beispielsweise von Verläufen von Schwingungsamplituden und/oder Schwingungsknoten der Struktur angeordnet werden. Ferner lassen sich auch bekannte numerische Simulationsverfahren zur Auslegung von Crashstrukturen für die Ausgestaltung und Optimierung der weichen und festen Zonen verwenden. Ausgehend von der (nicht deformierten) Ausgangsform der Struktur ist es außerdem möglich, beispielsweise bei runden und quadratischen Profilen, Hohlträgern oder Crashboxen, mittels analytischen Berechnungen, Simulation und/oder Experimenten, den Deformationsablauf der Struktur im Voraus zu ermitteln. Beispielsweise können ausgehend von dem analytisch, durch Simulation oder experimentell ermittelten Deformationsablauf einer Struktur ohne Imperfektionen (also mit einer homogenen Festigkeit des Werkstoffs) die weichen und festen Zonen derart ausgestaltet werden, dass dieser Deformationsablauf weiter stabilisiert (bevorzugt) wird, also unter realen Bedingungen mit noch größerer Wahrscheinlichkeit eintritt. Es ist auch möglich, mittels der weichen und festen Zonen den Deformationsablauf abzuändern, beispielsweise um eine noch höhere Energieaufnahme zu ermöglichen als im Fall der Struktur ohne Imperfektionen.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass bei der praktischen Verwendung der Struktur die tatsächliche Belastung in der Regel mehr oder weniger stark von den vorgegebenen (Labor- oder Simulations-)Bedingungen abweichen, so dass auch der tatsächlich erfolgende Deformationsablauf (und die tatsächlich angenommene Deformationsform) von dem vorgegebenen Deformationsablauf (und der vorgegebenen Deformationsform) abweichen kann. Dennoch erhöhen die hier vorgeschlagenen Imperfektionen in Form weicher und fester Zonen die Wahrscheinlichkeit, dass trotz dieser Abweichungen, insbesondere auch im Fall einer abweichenden Einwirkungsrichtung der Belastung auf die Struktur, der vorgegebene Deformationsablauf (und die vorgegebene Deformationsform) zumindest näherungsweise erreicht wird und die Gefahr andersartigen Strukturversagens, beispielsweise eines Reißens oder eines Biegekollapses der Struktur, reduziert wird.
Bei einer Überschreitung der Belastungsgrenze der Struktur werden typischerweise zunächst diejenigen der weichen Zonen der Struktur verformt, in denen die Struktur die geringste mechanische Stabilität gegenüber der eingebrachten Belastung aufweist und/oder welche dem (tatsächlichen) Einwirkungsort am nächsten sind („Erstversagen”), und anschließend typischerweise hierzu benachbarte weiche Zonen und/oder solche mit größerem Abstand zum Einwirkungsort, so dass durch die Imperfektionen insbesondere auch eine Verlaufsrichtung, in der sich eine Verformungsfront des vorgegebenen Deformationsablaufs durch die Struktur fortpflanzt („Crashverlauf”), gesteuert bzw. vorgegeben wird. Diese vorgegebene Verlaufsrichtung des vorgegebenen Deformationsablaufs ist typischerweise parallel zu einer bestimmten Achse oder Ausdehnungsrichtung der Struktur, beispielsweise parallel zu einer Längsachse der Struktur, insbesondere wenn die Struktur als eine Crashbox oder als ein Längs- oder Querträger ausgestaltet ist. Typischerweise wird hierdurch eine bevorzugte Einwirkungsrichtung der Belastung vorgegeben, welche in vielen Fällen parallel zu einer der genannten Achsen der Struktur verläuft und einer Stauchbelastung der Struktur in Richtung dieser Achse entspricht. Während des vorgegebenen Deformationsablaufs wird die Struktur daher typischerweise in der Verlaufsrichtung der Deformation, also typischerweise parallel zur der genannten Achse der Struktur, „zusammengeknautscht”, so dass nach Ablauf der plastischen Verformung die Struktur in Richtung dieser Achse zusammengedrückt bzw. „geknautscht” ist.
Typischerweise sind die weichen Zonen und die festen Zonen der Struktur in einem regelmäßigen oder periodischen Muster angeordnet, beispielsweise in einer periodischen Abfolge. Diese periodische Abfolge kann beispielsweise entlang der Verlaufsrichtung des vorgegebenen Deformationsablaufs bzw. entlang einer Achse, beispielsweise der Längsachse, der Struktur verlaufen. Beispielsweise können sich die weichen und festen Zonen in dieser Abfolge entlang der Verlaufsrichtung des vorgegebenen Deformationsablaufs und/oder entlang der Längsachse der Struktur alternierend abwechseln. Die weichen Zonen können punktförmig, linienförmig oder streifenförmig sein. Ebenso können die festen Zonen punktförmig, linienförmig oder streifenförmig sein. Die linienförmigen oder streifenförmigen weichen Zonen können beispielsweise parallel oder senkrecht zur Verlaufsrichtung des vorgegebenen Deformationsablaufs und/oder zu einer der genannten Achsen der Struktur ausgerichtet sein. Alternativ oder zusätzlich können auch die linienförmigen oder streifenförmigen festen Zonen beispielsweise parallel oder senkrecht zur Verlaufsrichtung des vorgegebenen Deformationsablaufs und/oder zu einer der genannten Achsen der Struktur, beispielsweise er Längsachse, ausgerichtet sein. Die weichen Zonen und/oder die festen Zonen können insbesondere Streifen, Bahnen etc. ausbilden, welche sich auch gegenseitig schneiden oder überlappen oder können oder parallel zueinander verlaufen können. Beispielsweise können die weichen Zonen, und somit auch die Sollfaltungsbereiche, jeweils parallel zueinander und/oder senkrecht zu einer Längsachse der Struktur verlaufen.
Insbesondere ist es möglich, dass die weichen Zonen eine Abfolge von Sollfaltungsbereichen der Struktur ausbilden. Beispielsweise kann der vorgegebene Deformationsablauf der Struktur ein entlang der räumlichen Abfolge der Sollfaltungsbereiche sukzessive fortschreitendes (und somit regelmäßiges) Faltenbeulen der Struktur sein, wobei dieses Faltenbeulen vorzugsweise entlang einer Längsachse der Struktur fortschreitet. Nach einer solchen Deformation, insbesondere im Fall einer Crashbox oder einer anderen hohlkörperartigen Form der Struktur, weist die Struktur in ihrer Deformationsform typischerweise eine alternierende Abfolge von Falten und Beulen bzw. von Aufweitungen und Verengungen auf. Die festen Zonen sind dann typischerweise jeweils zwischen zwei weichen Zonen und in Bereichen geringerer Deformierung angeordnet. Die Falten, Beulen, Aufweitungen bzw. Verengungen verlaufen jeweils typischerweise senkrecht zur vorgegebenen Verlaufsrichtung des Deformationsablaufs und/oder senkrecht zu einer der Achsen der Struktur, vorzugsweise der Längsachse der Struktur.
Der Werkstoff ist typischerweise kein Verbundwerkstoff, sondern ein monolithischer Werkstoff, der also nur aus einem einzigen Material besteht, dessen Materialeigenschaften sich aber in den festen Zonen und den weichen Zonen hinsichtlich Duktilität und/oder Festigkeit voneinander unterscheiden, wie oben beschrieben. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Werkstoff um einen metallischen Werkstoff, wie beispielsweise um eine Legierung, wie etwa ein Stahl, eine Magnesiumlegierung, eine Nickellegierung, eine Aluminiumlegierung oder eine Titanlegierung. Im Fall von Stahl kommen beispielsweise weiche Tiefziehstähle (zum Beispiel DC01-DC06, IF-Stähle), mikrolegierte Stähle (zum Beispiel S355), TRIP- und TWIP-Stähle (zum Beispiel X30Mn29, alternative Bezeichnung Fe-29Mn-0.3C). Der Stahl kann ein warmgewalzter hochfester Stahl sein, wie etwa ein Dualphasenstahl (zum Beispiel DP600-DP1000) oder ein Complexphasenstahl (zum Beispiel CP1000). (Stahlwerkstoffnummern gemäß des europäischen Stahlinstituts VDEh.) Der Stahl kann einphasig, zweiphasig oder auch mehrphasig sein. Insbesondere kann der Stahl (durchgängig) kaltverfestigt sein, wobei die weichen Zonen durch lokales Entfestigen des Stahls hergestellt werden können.
Der Werkstoff liegt typischerweise in Form eines von mehreren möglichen (mikroskopischen) Gefügestrukturen, kurz Gefügen oder auch Mikrostruktur(en), vor, wobei das jeweils vorliegende Gefüge die makroskopischen Materialeigenschaften des Werkstoffs bestimmt. Typischerweise liegt der Werkstoff in den festen Zonen als ein erstes (metallisches) Gefüge vor und liegt in den weichen Zonen als ein von dem ersten Gefüge verschiedenes zweites (metallisches) Gefüge vor. Beispielsweise können sich das erste und das zweite Gefüge durch ihren Kaltverfestigungsgrad, durch ihre Korngröße, ihre Kornart und/oder Kornform, ihren Ausscheidungszustand, durch Volumenanteile verschiedener Phasen und/oder durch Arten der Phasen unterscheiden. Ein Beispiel für erstes und zweites Gefüge ist eine kaltverfestige Kornstruktur mit langestreckten Körnern in den festen Zonen (erstes Gefüge) und eine rekristallisierte Kornstruktur mit äquiaxialen Körnern in den weichen Zonen (zweites Gefüge). Ein weiteres Beispiel ist Martensit in den festen Zonen und Ferrit/Perlit in den weichen Zonen.
Entscheidend ist hierbei, dass die Festigkeit und/oder die Duktilität des Werkstoffs von dem jeweils vorliegenden Gefüge abhängen, im vorliegenden Fall also davon, ob der Werkstoff in Form des ersten Gefüges (fest, weniger duktil) oder des zweiten Gefüges (weich, duktil) vorliegt. Außerdem sind die weichen Zonen nicht lediglich mikroskopische Gefügebestandteile des ersten Gefüges des Werkstoffs, sondern jeweils makroskopisch große Bereiche. Typischerweise beträgt ein durchschnittlicher Durchmesser (oder durchschnittliche Länge oder durchschnittliche Breite) der weichen Zonen mindestens 1 mm. Typischerweise beträgt ein Abstand zwischen zwei benachbarten weichen Zonen durchschnittlich mindestens 1 mm und beträgt typischerweise weniger als 20 mm oder weniger als 30 mm. Ein durchschnittlicher Durchmesser (oder durchschnittliche Länge oder durchschnittliche Breite) der weichen Zonen ist typischerweise um einen Faktor von mindestens 10 oder um einen Faktor von mindestens 20 größer als ein durchschnittlicher Durchmesser von, Körnern, Kristalliten oder Gefügebestandteilen des ersten Gefüges oder des zweiten Gefüges des Werkstoffs. Wird als Werkstoff beispielsweise ein kaltverfestigter (bspw. durch Kaltwalzen hergestellter) Stahl verwendet, beispielsweise der Stahl DC01 oder der Stahl X30Mn29, können die Korngrößen beispielsweise im Bereich von 4 μm bis 25 μm liegen. In diesen Fällen sind die weichen Zonen typischerweise um einen Faktor zwischen 20 und 500 größer als die Korngröße.
Ferner ist eine Korngröße des Werkstoffs in den festen und weichen Zonen möglichst klein und homogen, um hier jeweils eine möglichst hohe Zähigkeit des Werkstoffs zu erzielen. Nach einem Kaltwalzen des Werkstoffs, insbesondere im Fall von Stahl, wie etwa bei den oben genannten Stahlsorten DC01 und X30Mn29, kann beispielsweise eine typisch längliche/gestreckte Kornform vorliegen (welche in den festen Zonen beibehalten wird). Nach einer lokalen Rekristallisation oder Phasenumwandlung kann in den weichen Zonen eine fein verteilte, globulare Mikrostruktur vorliegen. Im Fall des DC01, beispielsweise bei einem Kaltwalzgrad von 25% (dies entspricht einer Reduzierung der ursprünglichen Werkstoffdicke um 25%) kann die Korngröße bei der Herstellung der weichen Zonen lokal zunehmen. Beispielsweise kann die Korngröße in den festen Zonen (erstes Gefüge) etwa 12 μm betragen und in den weichen Zonen (zweites Gefüge) zwischen 10 μm und 20 μm betragen, insbesondere wenn die weichen Zonen durch eine Phasenumwandlung innerhalb des ersten Gefüges hergestellt worden sind. Im Fall des X30Mn29 liegt innerhalb der festen Zone in der Regel ein typisches Gussgefüge vor. In den weichen Zonen liegt typischerweise eine Korngröße zwischen 1 μm und 30 μm vor (je nach vorausgegangenem Walzgrad).
Beispielsweise kann es möglich sein, dass das zweite Gefüge des Werkstoffs in den weichen Zonen durch eine Gefügeänderung oder Gefügeumwandlung des Werkstoffs, beispielsweise durch eine Umwandlung des ersten Gefüges des Werkstoffs in das zweite Gefüge des Werkstoffs, herstellbar ist bzw. hergestellt wird. Je nach Werkstoff und seinen möglichen Gefügestrukturen kann es beispielsweise möglich sein, dass diese Gefügeänderung, insbesondere vom zweiten Gefüge in das erste Gefüge, durch ein geeignetes (typischerweise lokal erfolgendes) Wärmebehandlungsverfahren erfolgt bzw. erfolgt ist, z. B. durch Erholungsglühen, Rekristallisationsglühen, Normalglühen, Anlassen, Phasenumwandlung, und/oder Auflösen von Ausscheidungen im ersten Gefüge des Werkstoffs. Typischerweise ist die Gefügeänderung bei der Herstellung des zweiten Gefüges schmelzfrei, erfolgt also ohne ein zwischenzeitliches Auftreten einer Schmelze des Werkstoffs während der Gefügeänderung. Im Fall, dass das zweite Gefüge durch Umwandlung des ersten Gefüges in das zweite Gefüge hergestellt wird, ist es möglich, dass der Werkstoff zunächst vollständig als erstes Gefüge vorliegt und die Umwandlung in das zweite Gefüge nur lokal in solchen Bereichen erfolgt, die für die weichen Zonen vorgesehen sind, so dass die oben genannten Verfahren vorzugsweise ebenfalls nur lokal in diesen Bereichen erfolgen und die Materialeigenschaften des Werkstoffs in allen übrigen Bereichen unverändert bleiben. Sofern diese Verfahren eine lokale Erwärmung des Werkstoffs erfordern, ist dies beispielsweise mittels einer Laserbestrahlung möglich, siehe unten.
Beispielsweise kann es auch möglich sein, dass das erste Gefüge des Werkstoffs in den festen Zonen durch eine Gefügeänderung oder Gefügeumwandlung, beispielsweise durch eine Umwandlung des zweiten Gefüges des Werkstoffs in das erste Gefüge des Werkstoffs, herstellbar ist bzw. hergestellt wird. Es kann beispielsweise möglich sein, dass diese Gefügeänderung, insbesondere vom zweiten Gefüge zum ersten Gefüge, durch Härten des Werkstoffs, ggf. mit Aufkohlen, durch Umwandlungshärtung, Ausscheidungshärtung oder Kaltverfestigung des Werkstoffs erfolgt. Typischerweise ist die Gefügeänderung bei der Herstellung des ersten Gefüges (ebenfalls) schmelzfrei. Auch hier kann die Gefügeänderung lokal erfolgen (in Bereichen, die für die festen Zonen vorbestimmt sind) durch eine entsprechend lokale Anwendung der genannten Verfahren. Im Fall einer erforderlichen lokalen Erwärmung ist dies ebenfalls mit mittels einer lokalen Laserbestrahlung möglich.
Die Struktur kann einen zusammenhängenden und (vorzugsweise ausschließlich) aus dem Werkstoff gebildeten Träger umfassen, wobei der Träger die weichen Zonen Werkstoffs und die festen Zonen des Werkstoffs aufweist. Der Träger kann ein Blech sein oder aus einem Blech oder mehreren zusammengefügten (zum Beispiel zusammengeschweißten) Blechen gebildet sein, wobei das Blech bzw. die Bleche des Trägers in den weichen Zonen und in den festen Zonen vorzugsweise eine gleiche Blechdicke aufweist. Typischerweise beträgt die Blechdicke zwischen 0,2 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,8 mm und 3 mm. Die weichen Zonen und die festen Zonen des Werkstoffs durchlaufen das Blech in seiner Blechdicke typischerweise jeweils vollständig oder nur teilweise. Bei der Herstellung der weichen Zonen kann das Blech hierzu beispielsweise von nur einer Seite oder (gleichzeitig oder nacheinander) von beiden Seiten mit einer Laserbestrahlung bearbeitet werden.
Bei dem hier vorgeschlagenen Herstellungsverfahren für eine energieabsorbierende Struktur wird die Struktur ausgestaltet, bei Überschreiten einer mechanischen Belastungsgrenze der Struktur sich gemäß einem vorbestimmten Deformationsablauf der Struktur plastisch zu verformen und dabei Energie aufzunehmen. Da mit dem Herstellungsverfahren insbesondere auch die hier vorgeschlagene Struktur hergestellt werden kann, kann alles im Zusammenhang mit der Struktur Gesagte auch auf das Herstellungsverfahren und für die mit dem Herstellungsverfahren hergestellten Strukturen entsprechend übertragen werden.
Somit werden bei dem Herstellungsverfahren Imperfektionen der Struktur derart ausgebildet, dass sie nach einem Überschreiten der Belastungsgrenze der Struktur das plastische Verformen der Struktur gemäß dem vorbestimmten Deformationsablauf der Struktur beeinflussen und diesen somit gegenüber anderen möglichen Deformationsabläufen begünstigen. Es ist vorgesehen, dass die Struktur vollständig oder zumindest bereichsweise aus einem Werkstoff hergestellt wird, wobei die Imperfektionen als weiche Zonen des Werkstoffs und/oder als feste Zonen des Werkstoffs realisiert werden. Mit anderen Worten werden die Imperfektionen der Struktur dadurch hergestellt, dass im Werkstoff weiche Zonen und/oder feste Zonen dauerhaft hergestellt werden, beispielsweise indem der Werkstoff lokal (also in den für die weichen Zonen bestimmten Bereichen) entfestigt wird.
Wie bereits oben beschrieben, ist es bei der Herstellung der festen Zonen und der weichen Zonen des Werkstoffs möglich, dass der Werkstoff zunächst vollständig gehärtet wird (beispielsweise indem der Werkstoff vollständig als das oben beschriebene erste Gefüge hergestellt wird), beispielsweise durch ein vollständiges Kaltverfestigen bzw. Presshärten des Werkstoffs. In einem anschließenden Verfahrensschritt kann der gehärtete Werkstoff bereichsweise, also lokal innerhalb derjenigen Bereiche der Struktur, die für die weichen Zonen vorgesehen sind, entfestigt werden, beispielsweise mittels einer der oben diesbezüglichen beschriebenen Gefügeänderungen und den hierfür vorgeschlagenen Verfahren. Durch ein etwa lokales Erwärmen, etwa mittels einer Laserbestrahlung, können beispielsweise durch Erholungsprozesse, Rekristallisationsprozesse oder Phasenumwandlungen Gitterfehler, die etwa durch die Kaltverfestigung erzeugt wurden, wieder abgebaut werden.
Beispielsweise kann der Werkstoff zur Herstellung der weichen Zonen und/oder der festen Zonen mittels einer Laservorrichtung mit einem Laserstrahl bestrahlt werden, um durch die Laserbestrahlung die genannte Gefügeänderungen bzw. Gefügeumwandlungen durch eine Erwärmung des Werkstoffs hervorzurufen. Sofern die weichen Zonen und/oder die festen Zonen des Werkstoffs in einem periodischen Muster hergestellt werden, wie bereits im Zusammenhang mit der hier vorgeschlagenen Struktur ausführlich beschrieben worden ist, kann die Laservorrichtung einen entsprechend eingerichteten Laserscanner umfassen. Im Fall einer festen Laseroptik ist es beispielsweise möglich, den Werkstoff während der Laserbestrahlung relativ zur Laservorrichtung entsprechend dem Muster zu bewegen bzw. zu verschieben.
Eine Wärmebehandlung mittels Laserbestrahlung hat den besonderen Vorteil, dass sie eine hohe Genauigkeit ermöglicht und kaum Einschränkungen bezüglich der Anordnung und Form der weichen und festen Zonen bestehen, wodurch eine sehr große Flexibilität erreicht wird. Außerdem kann eine Laserbestrahlung besonders einfach in eine bestehende Prozesskette integriert werden, ohne die Taktzeiten erheblich zu verlängern. Die Laserbestrahlung kann beispielsweise mit einer Laserleistung von etwa 500 W bis etwa 20 kW erfolgen. Die Wellenlänge der Laserbestrahlung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 500 nm bis 10000 nm, besonders bevorzugte in einem Bereich von 800 nm bis 1200 nm.
Vorteilhafterweise kann die Laserbestrahlung auch, sofern vorhanden, durch eine Beschichtung des Werkstoffs hindurch erfolgen, insbesondere im Fall einer Beschichtung mit Zink, einer Zinklegierung oder einer Aluminiumsiliziumlegierung, da die Beschichtung hierdurch in der Regel nicht oder nur in einem vernachlässigbaren Ausmaß geschädigt wird. Alternativ zu einer Wärmebestrahlung des Werkstoffs, wie mit der Laservorrichtung oder einer Elektronenstrahlvorrichtung, kann die Wärmebehandlung alternativ auch mittels Induktionelementen durch Induktionserwärmung oder mittels Heizelementen oder Heizplatten durch Wärmeleitung durchgeführt werden.
Es ist ferner möglich, dass in dem gleichen Verfahrensschritt, in dem die weichen Zonen hergestellt werden, in dem Werkstoff außerdem weiche Formungszonen hergestellt werden, vorzugsweise auf die gleiche Weise wie auch die weichen Zonen, beispielsweise mittels einer Laserbestrahlung. Vorteilhafterweise kann der Werkstoff in einem anschließenden Schritt des Herstellungsverfahrens, beispielsweise zur Herstellung einer vorgegebenen Formgebung der Struktur (auch Zielgeometrie oder Ausgangsform der Struktur bezeichnet), im Bereich der weichen Formungszonen und/oder in Bereichen, die an die weichen Formungszonen angrenzen, auf besonders einfache Weise (kalt-)umgeformt werden. Im letztgenannten Fall kann beim Umformen Material des Werkstoffs besonders leicht aus den weichen Formungszonen in die hieran angrenzenden Bereiche nachfließen, wodurch die Umformbarkeit des Werkstoffs verbessert wird. Das Umformen kann beispielsweise durch Tiefziehen und/oder Biegen des Werkstoffs innerhalb der Formungszonen und/oder innerhalb der hieran angrenzenden Bereiche erfolgen.
In einer typischen Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird beispielsweise zunächst eine Blech hergestellt und ggf. zugeschnitten. In dem Blech können beispielsweise zunächst die weichen und harten Zonen auf die oben beschriebene Weise hergestellt werden. Unebenheiten sowie ggf. durch eine Wärmebehandlung entstandener Verzug des Blechs können anschließend durch Richtwalzen ausgeglichen werden. Anschließend kann das Blech gemäß der vorgegebenen Formgebung der Struktur umgeformt und geschweißt werden.
Es ist aber prinzipiell auch möglich, dass der Werkstoff der Struktur zuerst zur Herstellung der vorgegebenen Formgebung umgeformt wird und die weichen Zonen des Werkstoffs erst nach diesem Schritt hergestellt werden.
Die hier vorgeschlagene energieabsorbierende Struktur kann in vielen Bereichen der Technik als Deformationselement, Energieabsorber, als Stoß- oder Crashabsorber oder als ballistischer Fänger ausgestaltet und verwendet werden, zum Beispiels in einem Kraftfahrzeug (Pkw, Lkw, Omnibus), einem Schienenfahrzeug (Lokomotive, Waggon, Triebwagen), einem Luftfahrzeug (Flugzeug, Hubschrauber), einem Schiff, einer Seilbahn, einem Aufzug sowie auch in der Raumfahrt.
Im Folgenden werden Beispiele und spezielle Ausführungsformen der vorgeschlagenen energieabsorbierenden Struktur und des vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine Aufsicht auf ein Blech mit weichen und festen Zonen als Zwischenprodukt der Herstellung einer energieabsorbierenden Struktur hier vorgeschlagener Art,
2: eine energieabsorbierende Struktur hier vorgeschlagener Art in einer perspektivischen Ansicht, hergestellt aus zwei Blechen der in 1 gezeigten Art,
3A und 3B die in 2 gezeigte energieabsorbierende Struktur, jeweils nach einer plastischen Verformung gemäß einem vorgegebenen Deformationsablauf der Struktur.
In 1 ist ein Blech 1 aus einem metallischen Werkstoff gezeigt, beispielsweise aus einem Stahl (beschichtet, z. B. mit Zink, oder unbeschichtet), der entsprechend einer speziellen Ausführungsart des hier vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens für eine energieabsorbierende Struktur zunächst durch Kaltverfestigen durchgängig verfestigt worden ist. Eine Dicke des Blechs 1 liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,2 mm und 5 mm und beträgt in diesem Fall konstant 1 mm (nach Kaltwalzen). Anschließend ist das Blech 1 durch eine lokale Wärmebehandlung mittels einer ein- oder beidseitigen Laserbestrahlung bereichsweise entfestigt worden. Alternativ könnte das Blech 1 auch aus einem anderen der oben genannten Werkstoffe bestehen und/oder auf eine andere Weise gehärtet und entfestigt worden sein, wie weiter oben allgemein beschrieben worden ist.
Vor dem Entfestigen durch die lokale Wärmebehandlung liegt der Werkstoff in Form eines ersten Gefüges vor, bei dem es sich in diesem Beispiel um ein kaltverfestigtes Gefüge handelt. Bei Werkstoff kann es sich beispielsweise um ein Feinblech aus Stahl (z. B. DC04, einphasig, DP800, zweiphasig oder auch Mehrphasen-Stahl) handeln.
Bei der lokalen Wärmebehandlung mittels einer Laservorrichtung (nicht dargestellt), wird eine Laserstrahlquelle mit max. 12 kW Ausgangsleistung und Wellenlängen um 1000 nm verwendet. Zur Strahlformung kann beispielsweise eine feste Fokussieroptik, eine Zoom-Optik, oder eine Scanneroptik eingesetzt werden. Der Stahl wird lokal auf die für die Entfestigung notwendige Temperatur (je nach Werkstoff und gewünschter Entfestigung kann die Temperatur variieren, z. B. 600°C bis 900°C, schmelzfrei erwärmt, so dass es in den erwärmten Bereichen in einer vollen Dicke des Blechs 1 durchgängig zu einer Rekristallisation in dem ersten Gefüge kommt. Das erste Gefüge wandelt sich hierdurch in ein zweites Gefüge um, so dass die lokal wärmebehandelten Bereiche weiche Zonen 2 des Werkstoffs bilden, in denen der Werkstoff dauerhaft nur noch etwa 60% der Ausgangshärte und somit eine geringere Festigkeit und größere Duktilität aufweist als in den übrigen Bereichen. Durch die Laserbestrahlung wird dem Werkstoff ein bestimmtes Zeit-Temperatur-Profil aufgeprägt, dies kann auch eine kurze Haltezeit (typischerweise einige Sekunden) auf einer bestimmten Temperatur beinhalten. Die Aufheizrate, die Spitzentemperatur und Abkühlrate werden durch die eingekoppelte Laserleistung auf dem Werkstück, die Wechselwirkungszeit zwischen Laserstrahlung und Werkstück und die Größe und Form des Laserbrennflecks auf dem Werkstück bestimmt. Große Brennflecke (typischerweise mit einem Durchmesser größer 10 mm) sind vorteilhaft zur Verringerung der Abkühlrate. Vorzugsweise sollte der Prozess mit einer Temperaturregelung erfolgen. Zur Einstellung insbesondere hoher Abkühlraten ist unter Umständen die Selbstabschreckung durch Wärmeabfuhr in kalte Bereiche des Bleches nicht ausreichend, dann muss eine externe Kühlung beispielsweise mit Pressluft oder Kühlflüssigkeit erfolgen. Weitere Beispiele und Angaben zu möglichen Ausführungsvarianten der lokalen Wärmebehandlung von Werkstoffen, insbesondere hochfester Stähle, mittels Laserbestrahlung sind beispielsweise der Veröffentlichung „Lokale Laserwärmebehandlung von hochfesten Stählen zur Verbesserung der Kaltumformeigenschaften", A. Weisheit et al., 31. EFB-Kolloquium Blechverarbeitung: Hochfeste und hybride Materialien, schnelle Umform- und Fügeverfahren, Bad Boll, 29. und 30.3.2011, Hannover: EFB 2011, ISBN 978-3-86776-363-9 zu entnehmen.
Durch das bereichsweise Entfestigen des Werkstoffs in den weichen Zonen 2 werden zwischen den weichen Zonen 2 somit gleichzeitig feste Zonen 3 des Werkstoffs definiert, in denen der Werkstoff weiterhin als das erste Gefüge vorliegt mit den ursprünglichen Materialeigenschaften des Werkstoffs. Wie in 1 gezeigt ist, sind die weichen Zonen 2 streifenförmig ausgebildet und verlaufen zueinander parallel über eine Gesamtbreite des Blechs hinweg und senkrecht zu einer Längsachse des Blechs 1 und weisen jeweils eine Breite in einem Bereich von etwa 2 bis 20 mm, zum Beispiel 5 mm und einen Abstand voneinander von etwa 2,5 cm auf. Zusätzlich zu den weichen Zonen 2 sind auf die gleiche Weise wie die weichen Zonen 2 zwei weiche Formungszonen 4 hergestellt worden, welche ebenfalls eine Breite von 2 mm aufweisen und sich parallel zur Längsachse des Blechs über eine Gesamtlänge des Blechs 1, beispielsweise etwa 25 cm, erstrecken.
in einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird ein durch die lokale Wärmebehandlung hervorgerufener Verzug durch Richtwalzen ausgeglichen und das Blech 1 anschließend entlang der Formungszonen 4 um etwa 60° gebogen. Anschließend wird das Blech 1 mit einem weiteren entsprechend hergestellten Blech 1 durch Schweißen zu einer energieabsorbierenden Struktur 5 hier vorgeschlagener Art zusammengeschweißt, siehe 2. Die Dicke des Blechs 1 beträgt weiterhin sowohl in den weichen Zonen 2 wie auch in den festen Zonen 3 konstant 1 mm. Die zusammengeschweißten Bleche bilden somit einen (ausschließlich) aus dem Werkstoff gebildeten Träger 10.
Die in 2 gezeigte energieabsorbierende Struktur 5 ist als eine Crashbox für eine Karosserie eines Fahrzeugs ausgestaltet und weist einen hexagonalen Querschnitt auf, wobei die weichen Zonen 2 senkrecht zu einer Längsachse L der Struktur 5 verlaufen und die Struktur in ringsum geschlossenen Bahnen umlaufen. Somit bilden die weichen Zonen 2 und die festen Zonen 3 ein regelmäßiges Muster aus, in dem die weichen Zonen 2 mit den festen Zonen 3 entlang der Längsachse der Struktur 5 periodisch alternierend angeordnet sind.
Die Struktur 5 ist dazu ausgestaltet, sich gemäß einem vorbestimmten Deformationsablauf der Struktur plastisch zu verformen und dabei Energie aufzunehmen, sobald durch einen Aufprall parallel zur Längsachse L der Struktur eine mechanischen Belastungsgrenze der Struktur überschritten wird (Richtung der Belastung F parallel zur Längsachse L der Struktur 5, siehe 3A und 3B). In dem vorliegenden Beispiel ist, wie in 3A und 3B zu erkennen ist, der vorgegebene Deformationsablauf der Struktur 5 ein regelmäßiges Faltenbeulen, wobei die Verlaufsrichtung des Deformationsablaufs parallel zur Längsachse L der Struktur 5 ausgerichtet ist. Wenn sich die Struktur 5 gemäß diesem vorgegebenen Deformationsablauf plastisch verformt, geht die Struktur 5 ausgehend von der in 2 gezeigten Ausgangsform der Struktur 5 in die in 3A und 3B gezeigte vorgegebene Deformationsform über.
Die weichen Zonen 2 (und ggf. auch die festen Zonen 3) stellen Imperfektionen der Struktur dar, welche das plastische Verformen der Struktur gemäß dem vorgegebenen Deformationsablauf und das Annehmen der vorgegebenen Deformationsform lokal initiieren und möglichst bis zum Ende des plastischen Verformens möglichst genau steuern. Bei einer Überschreitung der mechanischen Belastungsgrenze in Richtung der Längsachse L der Struktur 5 kommt es zuerst und vor allem in den weichen Zonen 2 zu plastischen Verformungen der Struktur, wohingegen plastische Verformungen in den festen Zonen 3 tendenziell verzögert auftreten und weniger stark ausgeprägt sind als in den weichen Zonen 2.
In 3A und 3B ist jeweils ein Längsschnitt durch deformierten Seitenwände 6 der Struktur 5 stark vereinfacht dargestellt. Deutlich zu erkennen ist eine durch axiale Stauchung der Struktur 5, wobei die axiale Belastung jeweils durch Fallturmversuche hervorgerufen worden ist, um die Ausgestaltung und Anordnung der weichen Zonen 2 und festen Zonen 3 sukzessive zu optimieren. So ist beispielsweise in dem in 3A gezeigten Fall ein Fallgewicht (Impaktor) von etwa 250 kg aus einer Höhe von etwa 2 m auf die Struktur 5 gefallen, so dass durch die Verformungsarbeit der Struktur etwa 5 kJ Energie absorbiert worden ist. In dem in 3A gezeigten Fall ist das gleiche Fallgewicht aus einer Hohe von etwa 3,5 m auf die Struktur 5 gefallen, so dass hier etwa 8 kJ Energie absorbiert worden ist. Zu erkennen ist, dass es von der Energie des Aufpralls abhängt, wie weit sich die plastische Verformung der Struktur gemäß dem vorgegebenen Deformationsablauf fortsetzt.
Wie in 3A und 3B zu erkennen ist, stellen die weichen Zonen 2 eine Abfolge von Sollfaltungsbereichen 7 der Struktur 5 dar, wobei der vorgegebene Deformationsablauf der Struktur 5 ein entlang dieser Abfolge sukzessive fortschreitendes Faltenbeulen der Struktur 5 ist. Entsprechend weist die deformierte Struktur 5 eine alternierende Abfolge von Falten 8 und Beulen 9 senkrecht zur Längsachse L der Struktur 5 auf, welche im vorliegenden Fall gleichzeitig Aufweitungen und Verengungen der deformierten Struktur 5 darstellen. Die festen Zonen 3 sind jeweils zwischen zwei weichen Zonen 2 in Bereichen geringerer Deformierung angeordnet. Kommt es bei der praktischen Verwendung der Struktur unter realen Bedingungen zu einem Aufprall, etwa aufgrund einer Kollision des Fahrzeugs, wird durch die weichen und festen Zonen 2, 3 das regelmäßige Faltenbeulen begünstigt, so dass die Struktur 5 die Energie des Aufpralls auf einer besonders sichere und zuverlässige Weise absorbiert.
Alternativ zu einem kaltverfestigten Werkstoff, wie oben beschrieben, könnte in diesem Ausführungsbeispiel der Werkstoff beispielsweise auch durch einen pressgehärteter Mangan-Bor-Stahl gegeben sein, wie etwa durch den Stahl MBW^®1500 (22MnB5). Dann könnte das Blech 1 beispielsweise bereits in pressgehärteter Form vorliegen und die weichen Zonen 2 in gleicher oder zumindest in analoger Weise wie oben beschrieben hergestellt werden. Prinzipiell kann das Presshärten aber auch im Fall eines bereits umgeformten bzw. in seiner Zielform vorliegenden Bauteils durchgeführt werden, im vorliegenden Fall beispielsweise in der in 2 gezeigten Zielform, wobei die weichen Zonen (2) dann ebenfalls in dieser Zielform durch lokales entfestigen des Werkstoffs hergestellt werden. Im Fall pressgehärteter Materialien ist typischerweise auch der Entfestigungsmechanismus ein anderer als im Fall kaltverfestigter Werkstoffe. Das erste Gefüge kann im Fall des pressgehärteten Mangan-Bor-Stahls beispielsweise martensitisch sein. Das zweite Gefüge (wie im ersten Beispiel durch Gefügeumwandlung des ersten Gefüges erzeugt) kann beispielsweise aus einem angelassen Martensit oder einem Ferrit-Perlit-Phasengemisch bestehen.
Alternativ zu einem kaltverfestigten Werkstoff, wie oben beschrieben, könnte in diesem Ausführungsbeispiel der Werkstoff beispielsweise auch durch einen warmgewalzten hochfesten Stahl gegeben sein, beispielsweise MSW1200^©. Dann könnte das Blech bereits in einem gehärteten Zustand vorliegen und die weichen Zonen 2 in gleicher oder zumindest analoger Weise wie oben beschrieben hergestellt werden. Im Fall warmgewalzter hochfester Stähle ist typischerweise auch der Entfestigungsmechanismus ein anderer als im Fall kaltverfestigter Werkstoffe. Das erste Gefüge kann im Fall des MSW1200^© beispielsweise martensitisch sein. Das zweite Gefüge (wie im ersten Beispiel durch Gefügeumwandlung des ersten Gefüges erzeugt) kann beispielsweise aus einem angelassen Martensit oder einem Ferrit-Perlit-Phasengemisch bestehen.
Bezugszeichenliste

1: Blech
2: weiche Zone
3: feste Zone
4: Formungszone
5: Struktur
6: Seitenwände
7: Sollfaltungsbereich
8: Falte
9: Beule
10: Träger
L: Längsachse der Struktur
F: Richtung der Belastung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DiPaolo, B. P; Monteiro, P. J. M; Gronsky, R.: Quasi-static axial crush responseofa thin-wall, stainless steel box component, veröffentlicht in International Journal of Solids and Structures 41 (2004), Nr. 14, S. 3707–3733 [0004]
„Lokale Laserwärmebehandlung von hochfesten Stählen zur Verbesserung der Kaltumformeigenschaften”, A. Weisheit et al., 31. EFB-Kolloquium Blechverarbeitung: Hochfeste und hybride Materialien, schnelle Umform- und Fügeverfahren, Bad Boll, 29. und 30.3.2011, Hannover: EFB 2011, ISBN 978-3-86776-363-9 [0044]

Claims

Energieabsorbierende Struktur (5), insbesondere ein Crashabsorber, wobei die Struktur (5) ausgestaltet ist, bei Überschreiten einer mechanischen Belastungsgrenze der Struktur (5), insbesondere durch einen Aufprall oder eine Stoßbelastung, sich gemäß einem vorbestimmten Deformationsablauf der Struktur (5) plastisch zu verformen und dabei Energie aufzunehmen, wobei die Struktur (5) Imperfektionen aufweist, welche ausgebildet sind, den vorbestimmten Deformationsablauf der Struktur (5) nach einem Überschreiten der Belastungsgrenze der Struktur (5) zu begünstigen, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) vollständig oder zumindest bereichsweise aus einem Werkstoff besteht, der weiche Zonen (2) und feste Zonen (3) aufweist, wobei die genannten Imperfektionen die weichen Zonen (2) des Werkstoffs und/oder die festen Zonen (3) des Werkstoffs sind.
Energieabsorbierende Struktur (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weichen Zonen (2) und die festen Zonen (3) der Struktur (5) in einem periodischen Muster angeordnet sind.
Energieabsorbierende Struktur (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weichen Zonen (2) und die festen Zonen (3) entlang einer Verlaufsrichtung des vorgegebenen Deformationsablaufs und/oder entlang einer Längsachse der Struktur alternierend angeordnet sind.
Energieabsorbierende Struktur (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weichen Zonen (2) eine Abfolge von Sollfaltungsbereichen (7) der Struktur (5) ausbilden, wobei der vorgegebene Deformationsablauf der Struktur (5) vorzugsweise ein entlang der räumlichen Abfolge der Sollfaltungsbereiche (7) sukzessive fortschreitendes Faltenbeulen der Struktur (5) ist.
Energieabsorbierende Struktur (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) als ein Hohlträger, als eine Profilelement oder als eine Crashbox ausgestaltet ist, wobei eine Verlaufsrichtung des vorgegebenen Deformationsablaufs vorzugsweise entlang einer Längsachse der Struktur (5) ausgerichtet ist.
Energieabsorbierende Struktur (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ein metallischer Werkstoff, insbesondere eine Legierung ist, insbesondere ein Stahl, eine Magnesiumlegierung, eine Nickellegierung, eine Aluminiumlegierung oder eine Titanlegierung.
Energieabsorbierende Struktur (5) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff in den festen Zonen (3) als ein erstes Gefüge vorliegt und in den weichen Zonen (2) als ein von dem ersten Gefüge verschiedenes zweites Gefüge vorliegt.
Energieabsorbierende Struktur (5) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gefüge des Werkstoffs durch eine Gefügeänderung, insbesondere durch eine Umwandlung des ersten Gefüges des Werkstoffs in das zweite Gefüge, herstellbar ist, wobei diese Gefügeänderung mittels Wärmebehandlung, insbesondere Rekristallisationsglühen, Erholungsglühen, Normalglühen, Anlassen, Phasenumwandlung und/oder Auflösen von Ausscheidungen im ersten Gefüge des Werkstoffs erzielbar ist.
Energieabsorbierende Struktur (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser der weichen Zonen (2) mindestens 1 mm beträgt und/oder dass ein Abstand zwischen zwei benachbarten weichen Zonen (2) durchschnittlich mindestens 1 mm beträgt und/oder, sofern dieser Anspruch auf einen der Ansprüche 7 oder 8 zurückbezogen ist, das ein durchschnittlicher Durchmesser der weichen Zonen (2) um einen Faktor von mindestens 10, vorzugsweise von mindestens 20, größer ist als ein durchschnittlicher Durchmesser von Kristalliten oder Gefügebestandteilen des ersten Gefüges oder des zweiten Gefüges des Werkstoffs.
Energieabsorbierende Struktur (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) einen zusammenhängenden und aus dem Werkstoff gebildeten Träger (10) umfasst, wobei der Träger (10) die weichen Zonen (2) Werkstoffs und die festen Zonen (3) des Werkstoffs aufweist.
Energieabsorbierende Struktur (5) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) ein Blech (1) ist oder aus einem Blech (1) gebildet ist, wobei das Blech (1) in den weichen Zonen (2) und in den festen Zonen (3) vorzugsweise eine gleiche Blechdicke aufweist.
Energieabsorbierende Struktur (5) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weichen Zonen (2) und die festen Zonen (3) des Werkstoffs das Blech (1) in seiner Blechdicke jeweils vollständig oder zumindest teilweise durchlaufen.
Herstellungsverfahren für eine energieabsorbierende Struktur (5), insbesondere eine Karosserie oder ein Teil einer Karosserie, wobei die Struktur (5) ausgestaltet wird, bei Überschreiten einer mechanischen Belastungsgrenze der Struktur (5), insbesondere durch einen Aufprall oder eine Stoßbelastung, sich gemäß einem vorbestimmten Deformationsablauf der Struktur (5) plastisch zu verformen und dabei Energie aufzunehmen, wobei Imperfektionen der Struktur (5) ausgebildet werden, den vorbestimmten Deformationsablauf der Struktur (5) nach einem Überschreiten der Belastungsgrenze der Struktur (5) zu begünstigen, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) vollständig oder zumindest bereichsweise aus einem Werkstoff hergestellt wird, wobei die Imperfektionen als weiche Zonen (2) des Werkstoffs und/oder als feste Zonen (3) des Werkstoffs hergestellt werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ein Metall oder eine Legierung ist, insbesondere ein Stahl, eine Magnesiumlegierung, eine Nickellegierung, eine Aluminiumlegierung oder eine Titanlegierung, wobei der Werkstoff in den festen Zonen (3) als ein erstes Gefüge vorliegt und in den weichen Zonen (2) als ein von dem ersten Gefüge verschiedenes zweites Gefüge vorliegt.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gefüge des Werkstoffs in den weichen Zonen (2) durch eine Gefügeänderung, insbesondere durch eine Umwandlung des ersten Gefüges des Werkstoffs in das zweite Gefüge des Werkstoffs, mittels Wärmebehandlung, insbesondere mittels Rekristallisation, Erholung, Anlassen, Phasenumwandlung und/oder Auflösen von Ausscheidungen des Werkstoffs hergestellt wird, und/oder wobei das erste Gefüge des Werkstoffs in den festen Zonen (3) durch eine Gefügeänderung, insbesondere durch eine Umwandlung des zweiten Gefüges des Werkstoffs in das erste Gefüge des Werkstoffs, mittels eines oder mehrere der Verfahren Umwandlungshärtung, Ausscheidungshärtung oder Kaltverfestigung, insbesondere Kaltwalzen, des Werkstoffs hergestellt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zur Herstellung der weichen Zonen (2) bereichsweise entfestigt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der weichen Zonen (2) und/oder der festen Zonen (3) eine lokale Wärmebehandlung des Werkstoffs mittels Laserbestrahlung durchgeführt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die weichen Zonen (2) und/oder die festen Zonen (3) des Werkstoffs in einem periodischen Muster hergestellt werden.
Herstellungsverfahren nach Ansprüchen 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff während der Laserbestrahlung entsprechend dem periodischen Muster relativ zum Laserstrahl bewegt wird, oder dass während der Laserbestrahlung der Laserstrahl über den Werkstoff bewegt wird, indem eine Laserstrahloptik entsprechend dem periodischen Muster relativ zum Werkstoff bewegt wird oder indem der Laserstrahl mittels einer Scanneroptik entsprechend dem periodischen Muster abgelenkt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die weichen Zonen (2) eine Abfolge von Sollfaltungsbereichen (7) der Struktur (5) ausbilden, wobei der vorgegebene Deformationsablauf der Struktur (5) vorzugsweise ein entlang der räumlichen Abfolge der Sollfaltungsbereiche (7) sukzessive fortschreitendes Faltenbeulen der Struktur (5) ist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in dem gleichen Verfahrensschritt, in dem die weichen Zonen (2) hergestellt werden, in dem Werkstoff außerdem weiche Formungszonen (4) hergestellt werden, wobei in einem anschließenden Verfahrensschritt zur Herstellung einer vorgegebenen Zielgeometrie der Struktur (5) der Werkstoff in den weichen Formungszonen (4) umgeformt wird und/oder in Bereichen, die an die weichen Formungszonen (4) angrenzen, umgeformt wird, wobei im letztgenannten Fall beim Umformen Material des Werkstoffs aus den weichen Formungszonen (4) in die hieran angrenzenden Bereiche nachfließt, wobei das Umformen insbesondere durch Tiefziehen und/oder Biegen des Werkstoffs innerhalb der Formungszonen (4) und/oder der angrenzenden Bereiche erfolgt.