DE102015225955A1 - Verfahren zur Herstellung eines aus zumindest zwei Werkstoffen bestehenden Hybridbauteils und Hybridbauteil - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridbauteil (1) und Verfahren zur Herstellung eines aus zumindest zwei Werkstoffen bestehenden Hybridbauteils (1), gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
• Umformen eines aus einem ersten Werkstoff (2) bestehenden ersten Werkstücks (3), sodass zumindest eine Erhebung (4) mit einem Hinterschnitt (5) entsteht,
• Applizieren eines zweiten Werkstoffs (6), sodass mit Hilfe des Hinterschnitts (5) eine formschlüssige Verbindung zwischen dem aus dem ersten Werkstoff (2) bestehenden ersten Werkstück (3) und dem zweiten Werkstoff (6) entsteht.
Mit Hilfe dieses Verfahrens kann ein Hybridbauteil (1) fertigungszeit- und kostenoptimiert hergestellt werden. Zudem wird ein Hybridbauteil (1) bereitgestellt, bei dem eine hohe Verbindungsfestigkeit zwischen dem das Hybridbauteil (1) bildenden ersten Werkstück (3) und dem zweiten Werkstück (8) entsteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus zumindest zwei Werkstoffen bestehenden Hybridbauteils und ein Hybridbauteil.
  • Seit geraumer Zeit werden Möglichkeiten gesucht Hybridbauteile, die zumeist aus artfremden Werkstoffen bestehen, fertigungszeit- und kostenoptimiert herzustellen.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Hybridbauteile bekannt. So zeigt die DE 10 2006 007 253 A1 ein Hybridbauteil, das aus einem Metall- und einem Kunststoffbauteil besteht, wobei der Verbund der beiden werkstofflich artfremden Bauteile mittels einer Formschlusslage gebildet ist.
  • Die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, eine Lösung bereitzustellen, durch die ein Hybridbauteil fertigungszeit- und kostenoptimiert hergestellt werden kann. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Hybridbauteil bereitzustellen, bei dem eine hohe Verbindungsfestigkeit zwischen den das Hybridbauteil bildenden Werkstoffen entsteht.
  • Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 bzw. 12 gelöst, indem zur Herstellung eines Hybridbauteils zumindest die folgenden Prozessschritte angewendet werden:
    • • Umformen eines aus einem ersten Werkstoff bestehenden ersten Werkstücks, sodass zumindest eine Erhebung mit zumindest einem Hinterschnitt entsteht,
    • • Applizieren eines zweiten Werkstoffs, sodass mit Hilfe des Hinterschnitts eine formschlüssige Verbindung zwischen dem aus dem ersten Werkstoff bestehenden Werkstück und dem zweiten Werkstoff entsteht.
  • Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das aus dem ersten Werkstoff bestehende Werkstück eine Oberflächenstruktur aufweist, welche sich mit Hilfe von Hinterschnitten formschlüssig mit dem zweiten Werkstoff verbindet. Hierdurch wird eine Relativbewegung der beiden Werkstoffe zueinander unterbunden. Zudem steigern die Hinterschnitte die Verbindungsfestigkeit zwischen den Werkstoffen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Verfahrens und des Hybridbauteils sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das erste Werkstück aus einem Stahlblech, einem Leichtmetallblech, einem Organoblech oder einer Kunststoffplatine besteht. Der Einsatz solcher Flachmaterialien hat den Vorteil, dass das erste Werkstück zum Beispiel mit Hilfe von Pressen oder Walzen bearbeitet werden kann, welche heute in vielen Bereichen der Produktion vorhanden sind. Zudem können die Bleche und Platinen in die bestehende Produktion eingebunden werden. Als weiterer Vorteil ist anzugeben, dass Werkstücke aus dünnem Stahlblech, Leichtmetallblech, Organoblech oder Kunststoffplatinen besonders leicht sind.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der zweite Werkstoff ein Kunststoff ist, welcher Fasern enthalten kann. Die Verwendung eines Kunststoffs hat den Vorteil, dass das Hybridbauteil besonders leicht ausgestaltet werden kann. In Verbindung mit Fasern, die im Kunststoff eingebracht werden, kann die Steifigkeit und die Festigkeit des Hybridbauteils auf einfache und kostengünstige Weise verbessert werden. Die Applikation des Kunststoffs kann beispielsweise mittels einer Spritzgussmaschine oder durch Fließpressen erfolgen.
  • Um die Hinterschnitte kostengünstig und einfach herstellen zu können, sieht eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens vor, dass das erste Werkstück als Bandmaterial oder in Form einer Platine einer Walze, einer Presse oder einer anderen zur Umformung geeigneten Maschine zugeführt wird, welche die Erhebungen mit Hinterschnitten in einem einzigen Prozessschritt ausformt. Die Verwendung einer Walze hat den Vorteil, dass das gewünschte Oberflächenstruktur aus Erhebungen mit Hinterschnitten gezielt und zumindest abschnittsweise flächig entlang des Bandmaterials eingebracht werden kann. Bei Verwendung eines Coils kann die Umformoperation vor dem Aufrollen oder nach Abwickeln des Coils erfolgen. Dabei ist der Werkzeugverschleiß gering. Ähnliches gilt für die von Pressen erzeugten Erhebungen mit Hinterschnitten.
  • Eine alternative vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das erste Werkstück als Bandmaterial oder in Form einer Platine zumindest einer Walze, einer Presse oder einer anderen zur Umformung geeigneten Maschine zugeführt wird, welche die Erhebungen mit Hinterschnitten in zumindest zwei aufeinander folgenden Prozessschritten wie folgt ausformt:
    • • Formen zumindest einer Erhebung in zumindest einem Verfahrensschritt,
    • • Bearbeiten der Erhebung, derart, dass zumindest ein Hinterschnitt an der Erhebung entsteht.
  • Diese aufeinanderfolgenden Prozessschritte haben den Vorteil, dass die Umformbarkeit bzw. den Umformgrad durch mehrere Umformoperationen erhöht werden kann. So können Werkstoffe höherer Festigkeiten auch ohne Rissbildung verarbeitet werden. Ein Zwischenglühen kann die Umformbarkeit des verwendeten Werkstoffs weiter steigern. Das Zwischenglühen kann zwischen den aufeinanderfolgenden Prozessschritten vorgesehen werden. Zudem ist ein Zwischenglühen auch innerhalb eines der beschriebenen Prozessschritte möglich.
  • Des Weiteren können Erhebungen und Hinterschnitte durch eine Reihenfolge unabhängige Kombination von zumindest einer Presse und einer Walze, zweier Pressen, zweier Walzen oder durch die Kombination anderer formgebender Maschinen mit sich selbst und in Kombination mit Walzen oder Pressen hergestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren flexibel in vorhandene Fertigungsprozesse bzw. Anlagen eingebunden werden kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zumindest eine Erhebung mit Hinterschnitt eine geschlossene Kontur aufweist. Hierdurch bleibt die Oberfläche des ersten Werkstücks intakt. Es ist jedoch auch vorstellbar, gezielt Löcher in das Werkstück und/oder in die Erhebungen einzubringen.
  • Um eine besonders gute Verbindungsfestigkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstoff zu erhalten, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass zumindest eine Erhebung T-Förmig oder V-Förmig ausgeformt wird.
  • Eine weitere Möglichkeit für eine besonders hohe Verbindungsfestigkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstoff sieht vor, dass zumindest ein Hinterschnitt in Form eines Kragens an der Erhebung gebildet wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das erste Werkstück ein Bauteil oder ein Halbzeug ist, welches bereits vor dem Ausformen der Erhebungen formgebend bearbeitetet wurde. Dies hat den Vorteil, dass ein aus dem ersten Werkstoff bestehendes Bauteil oder Halbzeug in einer Presse Bauteilendkonturnah mit Erhebungen versehen werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Verfestigung des ersten Werkstoffes im Bereich der Verbindungsstellen zum zweiten Werkstoff erst unmittelbar vor dem Applizieren des zweiten Werkstoffes stattfindet.
  • Der zweite Werkstoff kann bevorzugt aus Fasern und einem die Fasern umgebenden Kunststoff bestehen und in zumindest zwei Schritten wie folgt appliziert werden:
    • • Aufbringen der Fasern oder eines Fasergewebes, auf den mit Erhebungen versehenden ersten Werkstück,
    • • Applizieren des Kunststoffs.
  • Dies hat den Vorteil, dass die Fasern, insbesondere Langfasern und/oder Endlosfasern gezielt auf dem ersten Werkstück verteilt werden können. Zudem können die Lang- und/oder Endlosfasern um die Erhebungen des ersten Werkstücks herumgewoben werden, sodass nach Applikation des Kunststoffes eine noch höhere Verbindungsfestigkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstoff entsteht.
  • Das erfindungsgemäße Hybridbauteil, nach Patentanspruch 12, bestehend aus
    • • einem aus einem ersten Werkstoff bestehenden ersten Werkstück,
    • • einem aus einem zweiten Werkstoff bestehenden zweiten Werkstück, wobei das erste Werkstück Erhebungen mit Hinterschnitten aufweist und über die Erhebungen mit Hinterschnitt formschlüssig mit dem zweiten Werkstück verbunden ist, kostengünstig und auf einfache Art und Weise hergestellt werden.
  • Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 das erfindungsgemäße Hybridbauteil in unterschiedlichen Prozessschritten,
  • 2 einen in unterschiedliche Prozessschritte untergliederten Verfahrensablauf,
  • 3 Ausführungsbeispiele für Erhebungen mit Hinterschnitten,
  • 4 ein Blockdiagramm zum Verfahrensablauf.
  • 1 stellt beispielhaft ein durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestelltes Hybridbauteil 1 in verschiedenen Produktionsstadien (1a, b, c) dar. In 1a ist das aus einem ersten Werkstoff 2 bestehenden erste Werkstück 3 dargestellt, welches als Ausgangsmaterial in Form einer ebenen Platine vorliegt.
  • In 1b ist das erste Werkstück 3 nach einem ersten Umformvorgang dargestellt. So sind mehrere Erhebungen 4 mit Hinterschnitt 5 ausgebildet, welche sich über die Oberfläche der Platine verteilen. Es ist vorstellbar, dass die Erhebungen 4 je nach Bedarf nur in bestimmten Bereichen oder in einem bestimmten Muster auf der Platine bzw. dem ersten Werkstück 3 angeordnet sind. Die Anzahl der eingebrachten Erhebungen 4 ist ebenfalls variabel. Die Erhebungen 4 mit Hinterschnitt 5 können wie dargestellt auf einer Seite oder auf beiden Seiten des ersten Werkstücks 3 ausgeformt sein. Ergänzend zeigt 1d eine isometrische Detailansicht einer Erhebung 4 mit Hinterschnitt 5, welche kragenförmig ausgebildet ist.
  • 1c stellt ein erfindungsgemäßes Hybridbauteil 1 nach Aufbringen des zweiten Werkstoffs 6 dar. Es ist vorstellbar, dass der zweite Werkstoff 6 in diesem Fall ein Kunststoff oder ein Harz ist, welche mit einer Spritzgussmaschine oder über ein anderes geeignetes Verfahren, wie z.B. das Fließpressen aufgebracht wurde.
  • Die 2a–e zeigen schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Querschnittsabbildungen. 2a ist das erste Werkstück 3 im Ausgangszustand dargestellt. Dieses erste Werkstück 3 liegt in Form einer Platine oder eines Bandmaterials vor. Eine weitere nicht näher dargestellte Alternative sieht vor, dass das erste Werkstück 3 auch in Form eines bereits bearbeiteten Halbzeugs vorliegt.
  • 2b zeigt das Werkstück 3 nach einem ersten Prozessschritt 100, bei dem durch Walzen oder andere umformtechnische Verfahren (Pressen oder Stanzen) Erhebungen 4 in einem gewünschten Muster in das erste Werkstück 3 eingebracht wurden.
  • 2c zeigt das erste Werkstück 3 nach einem zweiten Prozessschritt 200, welcher in der gleichen Maschine oder bei Bedarf in einer anderen Maschine (Presse, Walze, usw.) oder einem anderen Werkzeug ausgeführt werden kann. In dem zweiten Prozessschritt 200 werden die im ersten Prozessschritt 100 hergestellten Erhebungen 4 so bearbeitet, dass sich ein Hinterschnitt 5 an den Erhebungen 4 ausbildet. Beispielhaft ist der Hinterschnitt 5, wie in 2c oder 1d dargestellt, kragenförmig ausgebildet.
  • 2d zeigt das erste Werkstück 3 nach einem optionalen dritten Prozessschritt 300. In diesem dritten Prozessschritt 300 können Fasern 7 lose oder in Form einer Fasermatte auf das in dem vorherigen Prozessschritt 100 und 200 hergestellte erste Werkstück 3 aufgebracht werden. Hierzu können Kurzfasern mit einer Länge von 0–1 mm, Langfasern mit einer Länge von 1–50 mm und/oder Endlosfasern, mit einer Länge > 50 mm verwendet werden. Es denkbar, dass die Fasern 7, insbesondere Lang- und/oder Endlosfasern mit den Erhebungen 4 durch eine Art Webvorgang mit den Erhebungen 4 und/oder die Hinterschnitte 5 so zu umgeben oder umweben, dass diese mit diesen verhaken. Das Fasermaterial kann beispielsweise aus Naturfasern, Kohlefaser und/oder Glasfasern bestehen.
  • 2e zeigt das erste Werkstück 3 nach einem vierten Prozessschritt 400. In diesem vierten Prozessschritt 400 wird ein zweiter Werkstoff 6, z.B. ein Kunststoff auf das erste Werkstück 3 durch Spritzgießen, Fließpressen oder durch ähnliche Verfahren aufgebracht. Der Kunststoff kann faserverstärkt sein. Die Schichtdicke des Kunststoffs kann variabel ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Schichtdicke des Kunststoffs weniger hoch, gleich hoch oder höher als die in das erste Werkstück 3 eingebrachten Erhebungen 4 sein. Nach Beendigung des vierten Prozessschrittes 400 bildet der zweite Werkstoff 6 ggf. mit den Fasern 7 das zweite Werkstück 8. Das erste Werkstück 3 und das zweite Werkstück 8 bilden zusammen das erfindungsgemäße Hybridbauteil 1.
  • In Abhängigkeit der gewählten Umformprozesses und den Materialeigenschaften des ersten Werkstoffs 2 können der in 2b dargestellte erste Prozessschritt 100 und der zweite in 2c dargestellte Prozessschritt 200 in einem einzigen gemeinsamen Prozessschritt ausgeführt werden. Des Weiteren ist es denkbar, dass zur Herstellung der Erhebungen 4 und/oder zur Herstellung der Hinterschnitte 5 mehrere Unterprozessschritte nötig bzw. vorteilhafterweise vorgesehen sind. Beispielsweise können Erhebungen 4 und/oder die Hinterschnitte 5 in mehreren aufeinander folgenden Umformoperationen hergestellt werden.
  • In 3a und 3b sind weitere Ausführungsbeispiele von Ausgestaltungen der Erhebungen 4 und zwar jeweils nach einem ersten Prozessschritt 100 und nach einem zweiten Prozessschritt 200 in Form von schematischen Querschnitten dargestellt.
  • So zeigt 3a eine durch den ersten Prozessschritt 100 hergestellte beispielhafte Oberflächenkontur, bei der die Erhebungen 4 im Querschnitt dreieckartig ausgeführt sind. In dem zweiten Prozessschritt 200 werden die Dreiecksspitzen so umgeformt, dass die Erhebungen 4 nach diesem zweiten Prozessschritt 200 T-förmig ausgebildet sind und Hinterschnitte 5 aufweisen.
  • 3b zeigt eine durch den ersten Prozessschritt 100 hergestellte beispielhafte Oberflächenkontur, bei der die Erhebungen 4 im Querschnitt rechteckig oder quadratisch ausgeführt sind. In dem zweiten Prozessschritt 200 werden die Erhebungen 4 so umgeformt, dass sie nach diesem zweiten Prozessschritt 200 V-förmig ausgebildet sind und Hinterschnitte 5 aufweisen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Hybridbauteil
    2
    erster Werkstoff
    3
    erstes Werkstück
    4
    Erhebung
    5
    Hinterschnitt
    6
    zweiter Werkstoff
    7
    Faser
    8
    zweites Werkstück
    100
    erster Prozessschritt
    200
    zweiter Prozessschritt
    300
    dritter Prozessschritt
    400
    vierter Prozessschritt
  • 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
    • DE 102006007253 A1 [0003]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines aus zumindest zwei Werkstoffen bestehenden Hybridbauteils (1), gekennzeichnet durch die folgenden Prozessschritte: • Umformen eines aus einem ersten Werkstoff (2) bestehenden ersten Werkstücks (3), sodass zumindest eine Erhebung (4) mit zumindest einem Hinterschnitt (5) entsteht, • Applizieren eines zweiten Werkstoffs (6), sodass mit Hilfe des Hinterschnitts (5) eine formschlüssige Verbindung zwischen dem aus dem ersten Werkstoff (2) bestehenden ersten Werkstück (3) und dem zweiten Werkstoff (6) entsteht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (3) aus einem Stahlblech, einem Leichtmetallblech, einen Organoblech oder einer Kunststoffplatine besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (3) als Bandmaterial oder in Form einer Platine einer Walze, einer Presse oder einer anderen zur Umformung geeigneten Maschine zugeführt wird, welche die Erhebungen (4) mit Hinterschnitten (5) in einem einzigen Prozessschritt ausformt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (3) als Bandmaterial oder in Form einer Platine zumindest einer Walze, einer Presse oder einer anderen zur Umformung geeigneten Maschine zugeführt wird, welche die Erhebungen (4) mit Hinterschnitten (5) in zumindest zwei aufeinander folgenden Prozessschritten wie folgt ausformt: • Formen zumindest einer Erhebung (4) in zumindest einem ersten Prozessschritt (100), • Bearbeiten der Erhebung (4) derart, dass in einem zweiten Prozessschritt (200) der Hinterschnitt (5) an der Erhebung (4) entsteht.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Erhebungen (4) und Hinterschnitte (5) durch eine Reihenfolge unabhängige Kombination von zumindest einer Presse und einer Walze, zweier Pressen, zweier Walzen oder durch die Kombination anderer formgebender Maschinen mit sich selbst und in Kombination mit Walzen oder Pressen hergestellt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Erhebung (4) mit Hinterschnitt (5) eine geschlossene Kontur aufweist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Erhebung (4) T-förmig oder V-förmig ausgeformt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Erhebung (4) derart ausgeführt wird, dass der Hinterschnitt (5) in Form eines Kragens an der Erhebung (4) gebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (3) ein Bauteil oder ein Halbzeug ist, welches bereits vor dem ersten Prozessschritt (100) formgebend bearbeitetet wurde.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Werkstoff (6) ein Kunststoff ist, welcher Fasern (7) enthalten kann.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Werkstoff (6) im Wesentlichen aus Fasern (7) und einen die Fasern (7) umgebenden Kunststoff besteht und in zumindest zwei Schritten wie folgt appliziert wird: • Aufbringen der Fasern (7) oder eines Fasergewebes, auf das mit Erhebungen (4) versehende erste Werkstück (3), • Applizieren des Kunststoffs.
  12. Hybridbauteil (1), welches durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt wurde, bestehend aus: • einem aus einem ersten Werkstoff (2) bestehenden ersten Werkstück (3), • einem aus einem zweiten Werkstoff (6) bestehenden zweiten Werkstück (8), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (3) zumindest eine Erhebung (4) mit Hinterschnitt (5) aufweist und über die Erhebung (4) mit Hinterschnitt (5) formschlüssig mit dem zweiten Werkstück (8) verbunden ist.
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