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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils sowie ein Metallbauteil gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus der
DE 10 2011 009 891 A1 ist bereits ein derartiges Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils bekannt, bei welchem das Metallbauteil zunächst direkt und/oder indirekt warm umgeformt und anschließend wenigstens einem weiteren Bearbeitungsschritt unterzogen wird. Bei dem Verfahren wird das Metallbauteil in dem weiteren Bearbeitungsschritt durch stoffschlüssiges und/oder kraftschlüssiges Fügen mit einem anderen Bauteil weiterverarbeitet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils sowie ein Metallbauteil zu schaffen, welche mittels des wenigstens einen weiteren Verarbeitungsschritts besonders vorteilhaft weiterverarbeitbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils sowie durch ein Metallbauteil mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
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Zur Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen eines Metallbauteils der eingangs genannten Art, mittels welchem das Metallbauteil mittels des wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritts besonders vorteilhaft weiterverarbeitbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Metallbauteil in dem wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritt direkt und/oder indirekt mittels Ultraschallwellen bearbeitet wird. Das bedeutet, dass Ultraschallwellen, bei welchen es sich um Schallwellen mit Frequenzen oberhalb eines Hörfrequenzbereichs eines Menschen handelt, direkt und/oder indirekt auf das Metallbauteil aufgebracht oder in das Metallbauteil eingebracht werden. Zum einen können die Ultraschallwellen direkt auf eine Oberfläche des Metallbauteils aufgebracht werden, zum anderen kann das Metallbauteil mittels eines ultraschallerregten Werkzeugs, beispielsweise einer Sonotrode oder einem Lochstempel, oder einem ultraschallerregten Funktionselement bearbeitet werden. Dabei kann das ultraschallerregte Funktionselement in das Metallbauteil eingebracht werden, wobei das Funktionselement als Sonotrode dient. Mittels Ultraschallwellen kann das direkt und/oder indirekt warm umgeformte Metallbauteil besonders einfach in dem wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritt weiterverarbeitet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritt eine Öffnung mittels Ultraschallwellen in das Metallbauteil eingebracht wird. Hierbei ermöglichen die Ultraschallwellen ein besonders einfaches Einbringen der Öffnung in das Metallbauteil, da mittels der Ultraschallwellen das insbesondere eine hohe Härte aufweisende warm umgeformte Metallbauteil besonders einfach und kraftarm mit der Öffnung versehen werden kann. Beispielsweise kann das Metallbauteil lokal oder vollflächig vor dem Einbringen der Öffnung erwärmt werden, um ein möglichst kraftarmes Einbringen der Öffnung in das Metallbauteil zu ermöglichen.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Öffnung mittels Ultraschallschneiden oder Ultraschalllochen in das Metallbauteil eingebracht wird. Hierdurch lässt sich vorteilhafterweise eine besonders ebene Schnittfläche an einem Rand der Öffnung erzeugen. Darüber hinaus handelt es sich bei dem Ultraschallschneiden und dem Ultraschalllochen jeweils um sehr verschleißarme Bearbeitungsmethoden, bei welchen eine Ultraschalleinrichtung, mittels welcher das Ultraschallschneiden und/oder das Ultraschalllochen durchgeführt werden kann, während der Einbringung der Öffnung in das Metallbauteil besonders wenig verschlissen wird. Das Ultraschalllochen beziehungsweise Ultraschallschneiden kann beispielsweise mittels einer Ultraschallsonotrode erfolgen. Die Ultraschallsonotrode umfasst ein Ultraschallelement, welches mittels der Ultraschallwellen in Schwingungen versetzt und somit erregt wird. Die Ultraschallerregung des Ultraschallelements der Ultraschallsonotrode ermöglicht, dass das Ultraschallelement sich in das Metallbauteil einrüttelt. Hierbei wird im Bereich der Öffnung Material des Metallbauteils von dem Ultraschallelement seitlich verdrängt, sodass ein Abdichten von mehreren Schichten, insbesondere einer zwischen zwei Metallblechen angeordneten Klebsstoffschicht, des Metallbauteils erfolgen kann. Vorteilhafterweise kann das Einbringen der Öffnung mittels der Ultraschallsonotrode besonders kraftarm erfolgen. Darüber hinaus kann Beschädigungen des Metallbauteils beim Einbringen der Öffnungen vorgebeugt werden.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung wird in einem Bereich der Öffnung das warm umgeformte Metallbauteil mittels Ultraschallwellen erwärmt und die Öffnung mittels eines Werkzeugs in den Bereich eingebracht. Das bedeutet, dass das Metallbauteil in dem Bereich, in welchem die Öffnung in das Metallbauteil eingebracht werden soll, mittels Ultraschallwellen erwärmt wird. Die Erwärmung erfolgt durch Aufbringung und/oder Einbringung von Ultraschallwellen auf beziehungsweise in das Metallbauteil. Ist der Bereich erwärmt, so weist das Metallbauteil in dem Bereich eine geringere Festigkeit auf im Vergleich zu einem weiteren Bereich des Metallbauteils, welcher nicht mittels Ultraschallwellen erwärmt worden ist. Somit kann die Öffnung mittels des Werkzeugs in den Bereich besonders einfach eingebracht werden. Bei dem Werkzeug kann es sich beispielsweise um einen Lochstempel oder eine Fließlochschraube handeln, welche aufgrund der lokalen Erwärmung in dem Bereich besonders einfach in das Metallbauteil einbringbar ist. Ohne das Erwärmen des Bereichs, in welchen die Öffnung eingebracht werden soll, ist eine Festigkeit des Metallbauteils derart hoch, dass beim Lochen mittels des Lochstempels ein hoher Kraftaufwand, Verschleiß und/oder Schnittschlag auftritt oder das Metallbauteil in eine Einbringung der Öffnung mittels der Fließlochschraube nicht beziehungsweise lediglich wenig fließt. Hierdurch ergibt sich der Nachteil, dass ein zwischen dem Metallbauteil und dem Bauteil angeordneter Kleber in die Öffnung eintreten und diese verschmutzen kann. Folglich kann durch das Erwärmen des Bereichs eine Festigkeit des Metallbauteils lokal modifiziert werden, sodass das Metallbauteil in dem Bereich bei Einbringen der Fließlochschraube fließt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das ultraschallerregte Funktionselement in dem Bereich in das Metallbauteil eingebracht wird. Das bedeutet, dass das Funktionselement, bei welchem es sich um eine Fließlochschraube handeln kann, mittels Ultraschallwellen in Schwingung versetzt wird und mithilfe der Schwingungen in das Metallbauteil eingebracht wird. Hierbei kann der Bereich, in welchen das Funktionselement eingebracht werden soll erwärmt werden und anschließend das ultraschallerregte Funktionselement beziehungsweise die ultraschallerregte Fließlochschraube in den Bereich des Metallbauteils eingebracht werden. Dabei wird vorteilhafterweise mittels der Fließlochschraube eine Möglichkeit zum Fügen des Metallbauteils mit einem weiteren Bauteil geschaffen. Beispielsweise wird das weitere Bauteil an dem Metallbauteil zumindest mittels der Fließlochschraube gehalten. Dabei kann das weitere Bauteil beispielsweise zusätzlich mittels eines Klebers an dem Metallbauteil gehalten sein. Die Einbringung der ultraschallerregten Fließlochschraube hat den Vorteil, dass besonders wenig Kraft zum Einbringen der Fließlochschraube in das Metallbauteil benötigt wird. Mittels der Fließlochschraube wird eine in das Metallbauteil eingebrachte Öffnung verschlossen. Darüber hinaus kann mittels der ultraschallerregten Fließlochschraube einer Beschädigung des Metallbauteils beim Einbringen vorgebeugt werden, da die Fließlochschraube besonders schonend in das Metallbauteil eingebracht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritt das Metallbauteil mittels Ultraschallwellen lokal erhitzt wird. Das bedeutet, dass Ultraschallwellen auf das Metallbauteil aufgebracht oder in das Metallbauteil eingebracht werden. Hierdurch kann das Metallbauteil lokal erhitzt werden, was beispielsweise zur Folge hat, dass eine Festigkeit des Metallbauteils lokal verändert werden kann. Beispielsweise können somit bedarfsgerecht lokal unterschiedliche Festigkeitszonen eingebracht werden. Alternativ kann das Metallbauteil vollflächig mittels der Ultraschallwellen erhitzt werden, um hierdurch die Festigkeit des Metallbauteils vollflächig zu modifizieren. Beispielsweise erfolgt mittels der Ultraschallwellen ein Anlassen, indem das Metallbauteil zumindest lokal auf eine Temperatur von ca. 400 °C erwärmt wird. Alternativ kann das Metallbauteil bei der zumindest bereichsweisen Erwärmung mittels der Ultraschallwellen einem Spannungsarmglühen-Prozess unterzogen werden. Hierdurch können zumindest lokal Gefügeeigenschaften des Metallbauteils verändert werden. Darüber hinaus kann eine Kantenrissempfindlichkeit des Metallbauteils zumindest an Schneidkanten modifiziert werden.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Metallbauteil mittels einer Ultraschallsonotrode lokal erhitzt wird. Mittels der Ultraschallsonotrode ist das umgeformte Metallbauteil besonders einfach lokal erhitzbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Metallbauteil mittels Ultraschallreinigen gereinigt und/oder mittels Ultraschallpolieren poliert wird. Das bedeutet, dass das Metallbauteil durch Beaufschlagung mit Ultraschallwellen gereinigt und/oder poliert wird. Beispielsweise werden bei einer Reinigung und/oder einem Polieren des Metallbauteils Oxide, welche aufgrund eines Warmumformprozesses des Metallbauteils an einer Oberfläche des Metallbauteils angeordnet sind, entfernt. Oxide verhindern einen guten Kontakt zwischen dem Metallbauteil und einem weiteren Bauteil beispielsweise bei einem Schweißprozess. Des Weiteren können Oxide eine Schweißnaht zwischen dem Metallbauteil und dem weiteren Bauteil verschmutzen. Es besteht darüber hinaus eine Wärmeleitfähigkeitsproblematik aufgrund der Oxide, wodurch ein Übergangswiderstand beim Schweißen besonders hoch ist, sodass eine Festigkeit am Schweißpunkt besonders niedrig ist. Dies ist mittels des Ultraschallreinigens und mittels des Ultraschallpolierens vermeidbar. Darüber hinaus können Oxide eine Haftung des Klebers beim Fügen des Metallbauteils und des Bauteils mittels der Fließlochschraube erschweren. Die Reinigung beziehungsweise die Politur des Metallbauteils mittels der Ultraschallwellen ermöglicht somit eine besonders einfache Durchführung des wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritts.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Metallbauteil, welches mittels eines der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Metallbauteils anzusehen. Aus diesem Grund sind die Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Metallbauteils hier nicht noch einmal beschrieben.
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Weitere Merkmale einer Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Verfahrensschema zum Herstellen eines Metallbauteils, bei welchem das Metallbauteil zunächst warm umgeformt und anschließend wenigstens einem weiteren Bearbeitungsschritt unterzogen wird; und
- 2 eine schematische Schnittansicht des Metallbauteils, wobei das Metallbauteil in dem wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritt mit Ultraschallwellen beaufschlagt wird.
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In 1 ist in einem Verfahrensschema ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils 1 illustriert. Bei dem Verfahren wird das Metallbauteil 1 in einem ersten Verfahrensschritt WU warm umgeformt und in einem zeitlich darauf folgenden, wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritt B weiterverarbeitet.
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Bei dem Metallbauteil 1 kann es sich beispielsweise um ein Rohbauteil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, handeln. Während des ersten Verarbeitungsschritts WU wird das Metallbauteil 1 warm umgeformt, um eine gewünschte Form des Metallbauteils 1 zu erzielen und das Metallbauteil 1 zu härten, das bedeutet mit einer besonders hohen Festigkeit zu versehen. Anschließend wird das Metallbauteil 1 in dem wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritt B mit einem weiteren, nicht dargestellten Bauteil gefügt, für eine Fügung mit dem weiteren Bauteil vorbereitet oder umgeformt, beispielsweise durch einen Schneidevorgang oder durch einen Stanzvorgang.
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Zur Ermöglichung einer besonders einfachen Weiterverarbeitung des Metallbauteils 1 mittels des wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritts B wird das Metallbauteil 1 in dem wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritt B mit Ultraschallwellen 2 beaufschlagt.
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Wie in 2 in einer schematischen Schnittansicht dargestellt ist, werden die Ultraschallwellen 2 mittels eines Ultraschallgeräts 3 auf einer Oberfläche 4 des Metallbauteils 1 aufgebracht. Vorliegend dringen die Ultraschallwellen 2 in das Metallbauteil 1 ein. Das Ultraschallgerät 3 kann dazu eingerichtet sein, Ultraschallschneiden, Ultraschalllochen, Ultraschallpolieren, Ultraschallreinigen, Ultraschallanlassen beziehungsweise Ultraschalltempern, und/oder Ultraschall-Fließlochschrauben durchzuführen.
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Dabei umfasst das dargestellte Ultraschallgerät 3 vorliegend eine Drehschlagsonotrode, als Ultraschallsonotrode 5. Mittels des Ultraschallgeräts 3 kann in dem wenigstens einen Bearbeitungsschritt B eine Öffnung, welche in der vorliegenden Darstellung nicht gezeigt ist, mittels Ultraschallschneiden oder Ultraschalllochen in das Metallbauteil 1 eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann in einem Bereich des Metallbauteils 1, in welchen die Öffnung eingebracht werden soll, das Metallbauteil 1 mittels der Ultraschallwellen 2 erwärmt werden und die Öffnung mittels eines Werkzeugs, welches als Fließlochschraube ausgebildet sein kann, in den Bereich des Metallbauteils 1 eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann in dem wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritt B das Metallbauteil 1 mittels Ultraschallwellen 2 lokal erhitzt werden, vorliegend um eine Festigkeit des Metallbauteils 1 zu modifizieren. Das lokale Erhitzen kann mittels der Ultraschallsonotrode 5 erfolgen.
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Nach dem Verfahrensschritt WU des Warmumformens sind an der Oberfläche 4 des Metallbauteils 1 Oxide angeordnet, welche mittels Ultraschallreinigen und/oder mittels Ultraschallpolieren entfernt werden können, um einen Beschichtungsprozess und/oder ein Schweißen der Oberfläche 4 des Metallbauteils 1 zu ermöglichen. Darüber hinaus kann durch das Entfernen der Oxide ein Kleber auf der Oberfläche 4 des Metallbauteils 1 besonders gut haften. Nachteilig an Oxiden ist, dass diese einen guten Kontakt zwischen dem Metallbauteil 1 und einem weiteren Material vermeiden. Bei dem weiteren Material handelt es sich beispielsweise um eine Beschichtung, um ein weiteres Bauteil, mit welchem das Metallbauteil 1 gefügt werden soll, oder um den Kleber. Darüber hinaus können Oxide ein Schmelzgut bei dem Schweißen verunreinigen und eine Wärmeleitfähigkeit an einem Schweißpunkt derart negativ beeinflussen, dass ein Übergangswiderstand von einem Schweißwerkzeug auf das Metallbauteil 1 besonders niedrig ist. Hierdurch kann eine Festigkeit an dem Schweißpunkt negativ beeinflusst werden.
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Durch die Beaufschlagung des Metallbauteils 1 mit Ultraschallwellen 2 in dem wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritt B können Kosten besonders gering gehalten werden, eine Flexibilität besonders hoch gehalten werden sowie das Metallbauteil 1 besonders schonend mittels des Ultraschall-Fließlochschraubens gefügt werden. Darüber hinaus kann das Metallbauteil 1 in dem wenigstens einen weiteren Bearbeitungsschritt B mittels des Ultraschallgeräts 3 weiterverarbeitet werden, sodass weitere Werkzeuge nicht benötigt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Metallbauteil
- 2
- Ultraschallwellen
- 3
- Ultraschallgerät
- 4
- Oberfläche
- 5
- Ultraschallsonotrode
- WU
- Verfahrensschritt
- B
- Bearbeitungsschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011009891 A1 [0002]
