DE102016014191A1

DE102016014191A1 - Durch Innendruck-Umformung hergestellter Hohlkörper

Info

Publication number: DE102016014191A1
Application number: DE102016014191.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Rzepecki
Original assignee: Ingenieurgesellschaft Peil
Current assignee: Ingenieurgesellschaft Peil
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-05-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen durch Innendruck-Umformung hergestellter Hohlkörper, der aus zumindest zwei Blechlagen (1a, 1b) besteht, die randseitig aneinander liegen und dort mittels einer umlaufenden Schweißzone (7) miteinander verschweißt sind.Wesentlich dabei ist, dass die randseitig umlaufende Schweißzone (7) im Kontaktbereich der zumindest zwei Blechlagen (1a, 1b) eine in der Blechrandebene gemessene Breite von zumindest der zweifachen, vorzugsweise zumindest der dreifachen Wandstärke einer Blechlage aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen durch Innendruck-Umformung hergestellten Hohlkörper, der aus zumindest zwei Blechlagen besteht, die randseitig aneinanderliegen und dort mittels einer umlaufenden Schweißzone miteinander verschweißt sind.
Es ist bekannt, Hohlkörper aus dünnen Blechlagen durch Innendruck-Umformung herzustellen. Dabei werden zwei Blechlagen aufeinandergelegt und entlang der gewünschten Kontur miteinander verschweißt. Danach wird über eine Öffnung in der einen Blechlage ein Medium zwischen die beiden Blechlagen hineingepresst, sodass die Blechlagen quasi aufgeblasen werden. Insoweit wird voll inhaltlich Bezug genommen auf die EP 2 110 189 .
Die so gewonnenen Hohlkörper können nahezu beliebige Formen aufweisen, beispielsweise können diverse technische Bauteile, Halbfabrikate, aber auch Sitzmöbel, Lampen, Ringe, Dekorgegenstände und dergleichen hergestellt werden.
Soll der Hohlkörper besonders hohe Festigkeit aufweisen, kann für das hineingepresste Medium anstelle von Flüssigkeit oder Gas ein aushärtbares Material verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Hohlkörper aus dünnem Aluminiumblech. Bei diesem Material ist es bekannt, die Aluminiumlagen durch Laserschweißung miteinander zu verbinden.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die beim Aufblasen mitunter auftretenden lokalen Instabilitäten wie Faltenbildung/Beulung der einen oder beider Blechlagen zu unterbinden, im Ergebnis also einen höheren Umformgrad zu erzielen, ohne dass es zu lokalen faltenartigen Deformierungen bei der Innendruck-Umformung kommt.
Diese Aufgabe wird bei einem Hohlkörper mit den eingangs beschriebenen Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die randseitig umlaufende Schweißzone eine in der Blechrandebene gemessene Breite im Kontaktbereich der zumindest zwei Blechlagen von zumindest der zweifachen Wandstärke, vorzugsweise zumindest der dreifachen Wandstärke einer Blechlage aufweist.
Diese breite Schweißzone hat den überraschenden Effekt, dass quasi ein den Hohlkörper umgebender Versteifungsrahmen entsteht. Dieser Versteifungsrahmen wirkt lokalen Ausbeulungen bei der anschließenden Innendruck-Umformung entgegen und erlaubt dadurch stärkere Umformungen bei besserem Aussehen.
In der Praxis hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die genannte Schweißzone eine Breite vom Dreifachen bis Zehnfachen einer Blechlage aufweist. Für die meist eingesetzten Bleche, deren Wandstärke häufig unterhalb 1 mm liegt, ergibt sich dann eine Breite der umlaufenden Schweißzone von zumindest 1 cm, vorzugsweise zumindest 1,5 cm, wobei Breiten von etwa 2 cm bis etwa 3 cm besonders gute Umformwerte erzielen.
Wenn besonders hoher Wert auf den Effekt des Versteifungsrahmens gelegt wird, kann erfindungsgemäß mit einer dritten Blechlage gearbeitet werden, die nur in dem zu verschweißenden Randbereich verläuft und somit nur den Rahmen verstärkt. Besonders zweckmäßig ist es, für diese dritte Lage ein Winkelprofil, insbesondere ein T-ähnliches Profil zu verwenden, bei dem der vertikale Schenkel des T zwischen die beiden Blechlagen eingeschoben wird.
Zur Erzeugung der gewünschten breiten Schweißzone empfiehlt es sich, das sogenannte Reibrührschweißen oder Rollnahtschweißen einzusetzen. Dadurch lassen sich in einem einzigen Arbeitsgang Schweißzonen der gewünschten Breite herstellen und es lassen sich unterschiedliche Nichteisenmetalle miteinander verschweißen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers gemäß den zuvor genannten Merkmalen ist dadurch gekennzeichnet, dass von zumindest annähernd flachen Blechlagen ausgegangen wird, die durch zumindest einen Niederhalter unter Freilassung der Schweißzone zusammengepresst werden, dass sodann ein rotierender Schweißstift unter Druck entlang einer gewünschten Kontur geführt wird, bis die Blechlagen entlang ihrem gesamten äußeren Rand miteinander verschweißt sind und dass anschließend ein Druckmedium zwischen die beiden Blechlagen eingepresst wird, bis die Blechlagen auf das gewünschte Maß aufgeweitet sind.
Der Niederhalter wird nach dem Verschweißen oder erst nach dem Umformen entfernt. Hinsichtlich der Position der Niederhalterung der Blechlagen empfiehlt es sich, dass der zumindest eine Niederhalter am Rand der Blechlagen außerhalb der Schweißzone angreift.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung selbst; dabei zeigt:

1 zwei aufeinanderliegende Blechlagen nach ihrer randseitigen Verschweißung;
2 den daraus durch Innendruck-Umformung hergestellten Hohlkörper gemäß herkömmlicher Randausbildung;
3 den gleichen Hohlkörper bei erfindungsgemäßer Randausbildung;
4 eine Schnittdarstellung im Randbereich betreffend dessen Verschweißung und die anschließende Verformung;
5 die gleiche Darstellung wie 4, jedoch bei Einlage eines Versteifungsbleches;
6 ein Schrägbild der Blechlagen mit dem Niederhalter vor ihrer Verformung;
7 eine Schnittdarstellung aus 6 nach Beginn des Schweißvorganges;
8 einen Querschnitt durch eine Variante eines erfindungsgemäßen Hohlkörpers.

In 1 erkennt man zwei aufeinanderliegende Blechlagen 1a und 1b bestehend aus Aluminium mit einer Wandstärke von etwa 0,5 mm bis 3,0 mm. Diese beiden Aluminiumbleche sind an ihrem Rand umlaufend durch eine Stumpfnaht 2, herkömmlicherweise mittels Laserstrahl, verschweißt.
Nach der Verschweißung wird durch eine Öffnung in einer der beiden Blechlagen 1a oder 1b ein Druckmittel zwischen beide Blechlagen eingepresst. Dadurch verformen sich die Blechlagen nach außen und bilden einen Hohlkörper, wie er in 2 dargestellt ist. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, anstelle eines Druckmittels zwischen den Blechlagen mit äußerem Unterdruck zu arbeiten, um die Verformung herbeizuführen.
Aufgrund des großen Umformgrades kommt es bei diesem Vorgang häufig zur Bildung von Falten bzw. Einbeulungen, wie sie durch das Bezugszeichen 3 angedeutet sind. Diese Falten bzw. Beulen sind hochgradig unerwünscht.
Demgegenüber zeigt 3 den praktisch gleichen Hohlkörper wie 2, jedoch in erfindungsgemäßer Ausgestaltung, nämlich mit einer breiten umlaufenden Schweißzone 4. Die Schweißzone 4 kann den größten Teil des überstehenden Randes 1a' bzw. 1b' der Blechlagen 1a und 1b ausfüllen, was später noch verdeutlicht wird.
Man kann aus 3 erkennen, dass der überstehende Rand 1a', 1b' im Kontaktbereich der beiden Blechlagen und innerhalb der Ebene der unverformten Blechlagen verläuft, also praktisch die ursprüngliche Position der Blechlagen vor ihrer Umformung beibehält. Er bildet somit einen um den gesamten Hohlkörper herumlaufenden geschlossenen Rahmen. Dieser Rahmen wirkt aufgrund seiner Versteifungswirkung lokalen Ausbeulungen bei der Innendruck-Umformung entgegen.
4 zeigt die einzelnen Schritte bei der erfindungsgemäß eingesetzten Reibrührschweißung. Man erkennt die Außenränder 1a' und 1b' der beiden aufeinanderliegenden Blechlagen. An diesen Außenrändern werden die Blechlagen durch einen Niederhalter 5 zusammengepresst. Oberhalb dieses Randbereiches seitlich versetzt neben dem Niederhalter 5 erkennt man einen Schweißkopf 6 einer Reibrühr-Schweißanlage. Dieser Schweißkopf 6 rotiert und wird mit Druck gegen die Blechlagen gedrückt.
Durch die kombinierte Anwendung von Reibung und Druck dringt der Schweißkopf 6 allmählich durch die obere Blechlage hindurch und dringt ein Stück in die untere Blechlage ein. Dabei schmilzt das Material der beiden Blechlagen; der Schmelzbereich, also die Schweißzone 7, ist durch eine Schrägschraffur angedeutet.
Hat der Schweißkopf 6 die beiden Blechlagen vollständig umfahren, so ist der Schweißvorgang fertiggestellt. Diesen Zustand zeigt 4c. Man erkennt, dass die Schweißzone in der Verbindungsebene zwischen den beiden Bleche eine Breite aufweist, die gut der doppelten Wandstärke einer Blechlage entspricht und dass die Oberseite der Schweißzone 7 etwa bündig in einer Ebene mit der Oberseite der oberen Blechlage 1a verläuft.
Die 4d und 4e zeigen die Verformung der beiden Blechlagen durch Einleitung eines Druckmediums zwischen die beiden Blechlagen. Man sieht in 4e, dass die Blechlagen unmittelbar neben der Schweißzone 7 zu einer etwa 90°-Abwinkelung verformt worden sind.
5 zeigt praktisch die gleichen Bearbeitungsschritte wie 4. Jedoch ist hier zwischen die beiden Bleche 1a und 1b ein Randstreifen 1c eingelegt. Dieser Randstreifen 1c erstreckt sich nur in den zu verschweißenden Randbereich 1a' und 1b'. Seine Aufgabe besteht darin, den Randbereich auszusteifen. Dies wird noch dadurch begünstigt, dass er ein T-Profil aufweist, wobei der vertikale Schenkel des T zwischen den beiden Blechlagen verläuft, die horizontalen oberen Schenkel hingegen die Stirnseiten der Ränder 1a' und 1b' überdecken. Diese Überdeckung ist im Ausführungsbeispiel beabstandet zu den Randbereichen 1a' und 1b' dargestellt; selbstverständlich kann die Überdeckung bündig an die genannten Randbereiche anschließen. Anstelle des T-Profils sind auch andere Winkelprofile zur Aussteifung möglich.
6 zeigt ein Schrägbild des Niederhalters 5 mit den verschweißten Blechen 1a und 1b. Man sieht, dass dieser Niederhalter die beiden Blechlagen rahmenartig umschließt, sodass ihre Ränder vollflächig zusammengepresst werden.
Außerdem erkennt man in 6 die durchgehend umlaufende Schweißzone 7, die aufgrund ihrer breiten Ausbildung als Versteifungsrahmen für die spätere Innendruck-Umformung fungiert.
7 zeigt einen Vertikalschnitt durch den Niederhalter mitsamt dem Schweißkopf 6. Man erkennt, dass dieser Schweißkopf zusätzlich zu seinem Schweiß-PIN oberhalb desselben eine schulterartige radiale Aufweitung 6b aufweist und dass diese schulterartige Aufweitung 6b mit ihrer radial verlaufenden Stirnfläche annähernd mit der Oberseite der oberen Blechlage 1a fluchtet. Durch diese Ausbildung und Positionierung des Schweißkopfes ergibt sich eine an ihrer Oberseite plane Schweißzone 7, die mit der Oberseite der Blechlage 1a fluchtet. Man erhält dadurch eine sehr harmonische Randausbildung des Hohlkörpers.
8 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäß hergestellten Hohlkörpers. Dabei verlaufen die Schweißzonen 7 nicht nur am äußeren Umfang des Hohlkörpers, sondern auch im Zwischenbereich. Diese innerhalb angeordneten Schweißzonen 7 können ihrerseits eigene lokale Hohlräume umrunden, sodass sich Hohlkörper mit mehreren Auswölbungen erzeugen lassen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 sind innerhalb der beiden Blechlagen drei umlaufende, in sich geschlossene Schweißzonen 7 angebracht worden, so dass sich im Ergebnis bei der anschließenden Umformung drei separate „Kissen“ ergeben.
Zusammenfassend zeichnet sich die Erfindung also durch eine falten- bzw. beulenfreie Verformbarkeit bei hohen Umformgraden aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2110189 [0002]

Claims

Durch Innendruck-Umformung hergestellter Hohlkörper, der aus zumindest zwei Blechlagen (1a, 1b) besteht, die randseitig aneinander liegen und dort mittels einer umlaufenden Schweißzone (7) miteinander verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die randseitig umlaufende Schweißzone (7) im Kontaktbereich der zumindest zwei Blechlagen (1a, 1b) eine in der Blechrandebene gemessene Breite von zumindest der zweifachen, vorzugsweise zumindest der dreifachen Wandstärke einer Blechlage aufweist.
Hohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Schweißzone (7) eine Breite von etwa der drei- bis etwa der zehnfachen Wandstärke einer Blechlage (1a oder 1b) aufweist.
Hohlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechlagen (1a, 1b) einen umlaufenden Rand (1a', 1b') aufweisen, der nach der Innendruck-Umformung eine Breite von zumindest der 2,5-fachen Wandstärker einer Blechlage, vorzugsweise von zumindest der 3-fachen Wandstärke, insbesondere von etwa zumindest der 5-fachen Wandstärke einer Blechlage aufweist.
Hohlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Blechlagen (1a, 1b) und/oder oberhalb und/oder unterhalb der Blechlagen eine umlaufende Randleiste (1c) angeordnet ist.
Hohlkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Randleiste (1c) ein Winkelprofil, insbesondere ein L-Profil, U-Profil oder T-Profil aufweist.
Hohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechlagen (1a, 1b) aus Aluminium oder Aluminium-Legierungen bestehen und eine Wandstärke von zumindest 0,1 mm, vorzugsweise zwischen etwa 0,5 bis etwa 3 mm aufweisen.
Hohlkörper nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechlagen (1a, 1b) und gegebenenfalls eine dazwischen angeordnete Randleiste (1c) durch Reibrührschweißung miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest annähernd flache Blechlagen (1a, 1b) durch zumindest einen Niederhalter (5) unter Freilassung der gewünschten Schweißzone (7) zusammengepresst werden, dass sodann ein rotierender Schweißkopf (6) unter Druck entlang einer gewünschten Kontur geführt wird, bis die Blechlagen entlang ihrem gesamten Rand (1a', 1b') miteinander verschweißt sind, und dass anschließend ein Druckmedium zwischen die beiden Blechlagen (1a, 1b) eingepresst wird, bis die Blechlagen in die gewünschte Form verformt worden sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter (5) außenseitig am Rand der Blechlagen (1a, 1b) außerhalb der Schweißzone (7) angreift.