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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur integralen Herstellung eines Hohlprofilbauteils mit einem Funktionselement, wobei das Funktionselement insbesondere ein metallisches Krafteinleitungselement ist.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung und zur Funktionalisierung von ebenen Bauteilen bekannt. Die bekannten Verfahren können jedoch nicht ohne weiteres auf Hohlprofilbauteile übertragen werden, da bei einer Umformung eines Hohlprofilhalbzeugs zu einem Hohlprofilbauteil und einer danach oder zeitgleich stattfindenden Funktionalisierung meist der Innenraum des Hohlprofilhalbzeugs kollabiert. Um ein Kollabieren zu verhindern, werden in bekannten Verfahren Stützmittel vorgesehen. Durch die meist festen Stützmittel sind nur eingeschränkt Umformungen und weiterführende Funktionalisierungen, wie beispielsweise das Hinzufügen lokaler Verstärkungsstrukturen, an einem Hohlprofilbauteil möglich. Im Stand der Technik wird das hinzufügen von Krafteinleitungselementen meist durch zusätzliche Bearbeitungsschritte nach der Formgebung bzw. der Umformung eines Hohlprofilhalbzeugs durchgeführt. Durch die zusätzlichen Bearbeitungsschritte wird die Bearbeitungszeit für die Herstellung eines Hohlprofilbauteils aus dem Hohlprofilhalbzeugs und dem Funktionselement erhöht. Zur Einbringung des Funktionselements ist ferner eine Erwärmung des Hohlprofilhalbzeugs erforderlich, durch die sich das Hohlprofilhalbzeug in seiner Form leicht verändern kann und dadurch nicht bestimmungsgemäß umformt. Durch nötige Kontrollmechanismen und weitere Arbeitsschritte werden die Kosten zusätzlich erhöht.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorbesagten Nachteile zu überwinden und ein einfaches, schnelles und günstiges Verfahren zur Funktionalisierung eines Hohlprofilbauteils zur Verfügung zu stellen, durch das ein Hohlprofilhalbzeug unter Beibehaltung des Innenhohlraums zu einem Hohlprofilbauteil umgeformt und integral durch ein Funktionselement funktionalisiert wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird hierzu ein Verfahren zur integralen Herstellung eines Hohlprofilbauteils mit Funktionselement vorgeschlagen, wobei das Verfahren zumindest die Schritte
- • Bereitstellen eines Hohlprofilhalbzeugs mit einem in dem Hohlprofilhalbzeug liegenden Innenhohlraum,
- • Abdichten des Innenhohlraums des Hohlprofilhalbzeugs mit einem Dichtmittel,
- • Anordnen eines Funktionselements in einer Aufnahmekavität in einer Umformfläche eines Umformwerkzeugs,
- • Erwärmen des Hohlprofilhalbzeugs bis zu einer Formungstemperatur T, bei der sich das Hohlprofilhalbzeug plastisch verformen lässt, und
- • Umformen nach dem Erwärmen des Hohlprofilhalbzeugs durch Außendruckbeaufschlagung einer in Radialrichtung des Hohlprofilhalbzeugs umlaufenden Außenfläche des Hohlprofilhalbzeugs durch das Umformwerkzeug, bei einer gleichzeitigen Innendruckbeaufschlagung einer Innenfläche des Hohlprofilhalbzeugs, wobei durch die Außendruckbeaufschlagung des Hohlprofilhalbzeugs durch das Umformwerkzeug gleichzeitig das Funktionselement an das Hohlprofilhalbzeug, zur Herstellung einer zumindest formschlüssigen Verbindung, angepresst wird,
umfasst. Durch die Innendruckbeaufschlagung wird die in Radialrichtung umlaufende Wand des Hohlprofilhalbzeugs abgestützt, sodass die Wand bei der Umformung und insbesondere an der Stelle an der das Funktionselement sitzt nicht kollabiert. Durch die Abstützung wird das Funktionselement prozesssicher und integral bei der Umformung an dem Hohlprofilhalbzeug fixiert. Zusätzliche Herstellungsschritte zur Aufbringung und Fixierung eines Funktionselements entfallen durch die integrale Umformung. Erwärmungs- und Abkühlungsschritte von Umformung und Fixierung werden jeweils zusammengefasst und erfolgen dadurch nicht mehrfach. Durch die Zusammenfassung von Prozessschritten werden Lagerkosten und Zeit gespart, wodurch die Herstellung der Hohlprofilbauteile schneller und günstiger ist. Dadurch, dass das Hohlprofilhalbzeug bei der Umformung auf die Formungstemperatur T erwärmt ist, wird beim Umformen die Form des Hohlprofilhalbzeugs plastisch verändert. Durch das gleichzeitige Anpressen des Funktionselements an die plastisch Verformbare Außenfläche des Hohlprofilhalbzeugs gehen das Funktionselement und das Hohlprofilhalbzeug eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung ein. Die formschlüssige Verbindung wird insbesondere durch das Eindringen des plastisch verformbaren Materials des Hohlprofilhalbzeugs in die Oberflächenstruktur des Funktionselements hergestellt. Die Oberflächenstruktur besteht dabei aus Makro- und oder Mikrostrukturen, wie beispielsweise Poren, in die das Material des Hohlprofilhalbzeugs eindringt und nach dem Erkalten eine formschlüssige Verbindung ausbildet.
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Bei dem Erwärmen des Hohlprofilhalbzeugs bis zu der Formungstemperatur T wird das Hohlprofilhalbzeug zumindest an den umzuformenden Stellen bis in einen thermoplastischen Temperaturbereich erwärmt, sodass die umzuformenden Stellen bei dem Umformen und dem zeitgleich erfolgenden Anpressen des Funktionselements in dem thermoplastischen Temperaturbereich ist. Die Formungstemperatur T entspricht daher zumindest der unteren Grenze des thermoplastischen Temperaturbereichs des jeweils verwendeten Materials.
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Vorteilhaft ist, dass bei einer Weiterbildungsform des Verfahrens das Dichtmittel ein Dichtstempel ist, der bei dem Abdichten eine Öffnung des Innenhohlraums druckdicht verschließt, wobei der Innenhohlraum des Hohlprofilhalbzeugs durch eine Druckzuführung in dem Dichtstempel innendruckbeaufschlagbar ist. Der Dichtstempel korrespondiert in seiner Form zu den Endabschnitten des Hohlprofilhalbzeugs in Längsrichtung und wird durch eine äußere Kraft gegen das Hohlprofilhalbzeug gepresst. Durch Einleiten eines Druckmediums bzw. Fluides durch die Druckzuführung in dem Dichtstempel, ist die Innenfläche des Hohlprofilhalbzeugs direkt druckbeaufschlagbar.
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In einer alternativen Ausführungsform ist das Dichtmittel vorteilhafterweise ein flexibler, zumindest in seine Radialrichtung expandierbarer Druckkörper, der bei dem Abdichten in den Innenhohlraum des Hohlprofilhalbzeugs eingebracht wird und durch den das Hohlprofilhalbzeug innendruckbeaufschlagt wird.
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Ferner ist bei dem Verfahren vorteilig, dass der Druckkörper ein zumindest bis zu der Formungstemperatur T hitzebeständiger, beidseitig oder einseitig geöffneter Schlauch, vorzugsweise aus Silikon, ist. Der Schlauch wird an den geöffneten Seiten durch Dichtlippen druckdicht verschlossen. Eine Dichtlippe in dem Endabschnitt des Schlauchs in Längsrichtung bildet eine Zuleitung aus, durch die das Hohlprofilhalbzeug innendruckbeaufschlagbar ist. Durch den Silikonschlauch zwischen dem Druckmedium bzw. Fluid wird die Innenfläche des Hohlprofilhalbzeugs indirekt mit Druck beaufschlagt, wodurch der Druck gleichmäßiger verteilt wird und keine Bestandteile des Druckmediums in die Wand des Hohlprofilhalbzeugs 11 eindringen. Durch den Schlauch wird ferner das Verfahren vereinfacht, da die Dichtlippen mit dem Schlauch fixiert sind und nicht von einer äußeren Kraft gegen den Schlauch gepresst werden.
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Vorteilhaft ist ferner, dass das Hohlprofilhalbzeug durch ein Fluid bzw. Druckmedium innendruckbeaufschlagt wird und das Fluid insbesondere Luft, Wasser oder Öl ist. Die Luft erzeugt in dem Hohlprofilhalbzeug einen Innendruck bis 200 bar, vorteilhafterweise einen Innendruck bis 100 bar. Das Wasser oder das Öl erzeugt einen Innendruck bis 3000 bar, vorteilhafterweise einen Innendruck bis 2500 bar.
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Zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung wird bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens das Funktionselement beim Anpressen an das Hohlprofilhalbzeug zumindest zum Teil in das Hohlprofilhalbzeug eingepresst. Dadurch steht eine größere Fläche des Funktionselements mit dem Material des Hohlprofilhalbzeugs in Kontakt. Alternativ kann durch ein ausreichend tiefes Einpressen des Funktionselements in das Hohlprofilhalbzeug das plastisch verformbare Material des Hohlprofilhalbzeugs das Funktionselement zumindest zum Teil umfangen, wodurch neben der formschlüssigen Verbindung durch Eindringen des plastisch verformbaren Materials in die Mikro-Oberflächenstruktur des Funktionselements eine zusätzliche formschlüssige Verbindung auf Makroebene durch zumindest teilweise Umfangen des Funktionselements geschaffen wird.
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Bei dem Verfahren zur integralen Herstellung eines Hohlprofilbauteils mit Funktionselement ist es ferner vorteilhaft, dass das Funktionselement eine bestimmungsgemäß, beim Anpressen dem Hohlprofilhalbzeug zugewandte Verbindungsfläche ausbildet. Die Verbindungsfläche weist Vorsprünge, Vertiefungen und/oder eine Struktur auf und/oder ist chemisch, optisch und/oder mechanisch oberflächenbehandelt. Durch die dem Hohlprofilhalbzeug zugewandte Verbindungsfläche, wird die Oberfläche, in die das plastisch verformbare Material eindringt erhöht, sodass sich eine stärkere formschlüssige Verbindung ausbildet. Die Strukturierung und/oder Oberflächenbehandlung dient der Erhöhung der Oberfläche der Verbindungsfläche. Durch chemisches Aufrauen wird die Mikrostruktur der Oberfläche ausgeprägt bzw. Poren geschaffen, in die das plastisch verformbare Material des Hohlprofilhalbzeugs eindringt.
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Um das Funktionselement zumindest zum Teil in das Hohlprofilhalbzeug einzupressen, ist es bei dem Verfahren vorteilhaft, dass das Funktionselement zumindest zum Teil aus der Aufnahmekavität, gegenüber der Umformfläche hervorsteht. Das Funktionselement bildet einen Vorsprung gegenüber der Umformfläche.
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Das Funktionselement wird durch Schwerkraft, magnetische Verriegelung oder mechanische Verriegelung in der Aufnahmekavität gehalten. Die Aufnahmekavität ist so ausgebildet, dass die Position des darin eingelegten Funktionselements gegenüber dem Hohlprofilhalbzeug in dem Umformungswerkzeug bestimmt ist.
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Ferner ist von Vorteil, dass das Funktionselement vor dem Anordnen in dem Umformwerkzeug oder in dem Umformwerkzeug angeordnet, vorzugsweise auf die Formungstemperatur T, erwärmt wird.
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Vorteilhafterweise ist das Funktionselement vorzugsweise aus einem zumindest bis zur Formungstemperatur T hitzebeständigen Metall oder Kunststoff gebildet. Das Funktionselement ist ein Kraftleitungselement zur Krafteinleitung in das Hohlprofilbauteil und/oder zur Kraftausleitung aus dem Hohlprofilbauteil, ein lokales Verstärkungselement um das Hohlprofilbauteil lastgerecht auszulegen oder ein anderes Funktionsbauteil, das nicht durch das Material des Hohlprofilhalbzeugs ausbildbar ist. Das Funktionselement bzw. die Verbindungsfläche des Funktionselements ist korrespondierend zu der Form des Hohlprofilbauteils ausgebildet, wobei es/sie sich zumindest zum Teil entlang der Längsrichtung des Hohlprofilbauteils erstreckt und das Hohlprofilbauteil in Radialrichtung maximal halb umfängt.
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Das Funktionselement erstreckt sich bei einer vorteilhaften Weiterbildung in Längsrichtung des Hohlprofilbauteils auf einer Seite oder beidseitig über das Hohlprofilbauteil hinaus. Dadurch ist das Funktionselement durch das Hohlprofilbauteil abschnittsweise verstärkbar und lastpfad- bzw. verwendungsgerecht auslegbar.
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Das Funktionselement ist alternativ aus einer Vielzahl von Elementen, beispielsweise aus einer Vielzahl von Zylinderstiften, bildbar und das Hohlprofilhalbzeug kann mit einer Vielzahl von Funktionselementen versehen sein.
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Ferner ist von Vorteil, dass das Hohlprofilhalbzeug ein Faserverbundbauteil mit einer thermoplastischen Matrix und/oder im Wesentlichen aus thermoplastischem Material gebildet ist.
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Die Formungstemperatur T liegt insbesondere für thermoplastische Materialien in einem thermoplastischen Temperaturbereich, indem die thermoplastischen Materialien plastisch verformbar sind und die thermoplastischen Bauteile, wie beispielsweise das Hohlprofilhalbzeug, weich aber noch nicht vollständig flüssig sind.
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Nach der Herstellung mittels des integralen Umformungs- und Funktionselementfixierschrittes, bildet das Hohlprofilhalbzeug eine Einheit mit dem Funktionselement.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Hohlprofilbauteil mit einem Funktionselement vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist
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Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 ein bereitgestelltes Hohlprofilhalbzeug und ein Funktionselement;
- 2 ein Hohlprofilhalbzeug und ein in ein Umformwerkzeug eingelegtes Funktionselement;
- 3 ein umgeformtes Hohlprofilhalbzeug in einem Umformwerkzeug;
- 4 ein Hohlprofilbauteil.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
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1 zeigt ein Hohlprofilhalbzeug 11, das zwischen einer oberen und einer unteren Hälfte eines Umformwerkzeuges 1 angeordnet ist. In dem Hohlprofilhalbzeug 11 ist ein als Silikonschlauch ausgebildeter Druckkörper 12 angeordnet, der mit seiner Außenfläche an der radialumlaufenden Innenfläche 11" des Hohlprofilhalbzeugs 11 anliegt. Der Silikonschlauch ist durch zwei Dichtlippen 3 druckdicht verschlossen, wobei durch die beiden Zuleitungen 3' ein Druckmedium bzw. Fluid in den Druckkörper 12 pumpbar ist. In der Umformungskavität 4 welche die Umformflächen 1' zur Außendruckbeaufschlagung des Hohlprofilhalbzeugs beim Umformen ausbildet, ist eine Aufnahmekavität 2 ausgebildet. Die Aufnahmekavität 2 ist zur Aufnahme des Funktionselements 5 vorgesehen. Das Funktionselement 5 ist in 1 noch nicht in der Aufnahmekavität 2 angeordnet. Funktionselement 5 und Hohlprofilbauteil 11 sind in 1 auf Formungstemperatur T erwärmt. In 1 ist das Hohlprofilhalbzeug bereitgestellt, abgedichtet und erwärmt.
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2 zeigt wie 1 ein Hohlprofilhalbzeug 11, das in einem Umformungswerkzeug 1 angeordnet ist. Das Funktionselement 5 ist in der Aufnahmekavität 2 angeordnet. Funktionselement 5 und Hohlprofilhalbzeug 11 besitzen im Wesentlichen die Formungstemperatur T, wobei das Hohlprofilhalbzeug in einem nächsten Verfahrensschritt von den Umformflächen 1' des Umformwerkzeugs 1 umgeformt wird, während das Funktionselement 5 gegen die Außenfläche 11' des Hohlprofilhalbzeugs gepresst wird.
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3 zeigt das vollständig umgeformte Hohlprofilhalbzeug 11 mit daran angepressten Funktionselement 5. Das Umformwerkzeug 1 ist noch geschlossen, sodass die Umformflächen 1' Außendruck auf die Außenflächen 11' des Hohlprofilhalbzeugs ausüben, wobei der Druckkörper 12 mit einem Gegendruck zur Abstützung des Hohlprofilhalbzeugs 11 innendruckbeaufschlagt ist.
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In 4 ist das aus dem Umformwerkzeug 1 entformte Hohlprofilbauteil 10 dargestellt, wobei es mit dem Funktionselement 5 eine Einheit bildet. Das Funktionselement 5 wird formschlüssig an dem Funktionsbauteil 10 gehalten.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise könnten mehrere Funktionselemente gleichzeitig bei dem Umformen auf das Hohlprofilhalbzeug gepresst werden um ein das Hohlprofilhalbzeug in Radialrichtung im Wesentlichen umlaufendes Funktionselement zu bilden.
