DE102018004040A1

DE102018004040A1 - Verfahren der herstellung eines bauteils

Info

Publication number: DE102018004040A1
Application number: DE102018004040.3A
Authority: DE
Inventors: Johann Willdonner
Original assignee: NEUMAN ALUMINIUM FLIESSPRESSWERK GmbH
Current assignee: NEUMAN ALUMINIUM FLIESSPRESSWERK GmbH
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2019-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der Herstellung eines Bauteils aus einem metallischen Werkstoff mit einer sich orthogonal zu einer vorgegebenen Achsrichtung erstreckenden Basis und einer sich in einem einen zentralen Bereich der Basis umfassenden Flächenbereich der Basis von dieser in Richtung der vorgegebenen Achsrichtung erstreckenden, bezüglich einer Drehung um die vorgegebene Achsrichtung nicht-drehsymmetrischen und zwischen sich eine wenigstens zum Teil mäanderförmige Kanalstruktur definierenden Wandstruktur einer Höhe von wenigstens 1 mm, wobei man die die Kanalstruktur definierende Wandstruktur durch Vorwärtsfließpressen eines Butzens entlang einer mit der vorgegebenen Achsrichtung übereinstimmenden Pressachse erzeugt, und das Bauteil aus dem so erzeugten fließgepressten Teil bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der Herstellung eines Bauteils aus einem metallischen Werkstoff mit einer sich orthogonal zu einer vorgegebenen Achsrichtung erstreckenden Basis und einer sich in einem einen zentralen Bereich der Basis umfassenden Flächenbereich der Basis von dieser in Richtung der vorgegebenen Achsrichtung erstreckenden, bezüglich einer Drehung um die vorgegebene Achsrichtung nicht-drehsymmetrischen und zwischen sich eine wenigstens zum Teil mäanderförmige Kanalstruktur definierenden Wandstruktur einer Höhe von wenigstens 1 mm.
Derartige Bauteile sind bekannt und werden beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer hergestellt, um andere Teile, die einer Wärmeabfuhr bedürfen, wie etwa Halbleiterstrukturen, zu kühlen. So kann im Einsatz ein Fluid, beispielsweise Luft, durch die Kanalstruktur geleitet werden. Aufgrund der Mäanderförmigkeit der Kanalstruktur verlängert sich die Verweilzeit des Kühlfluids bei gegebener Größe des Flächenbereichs und gegebener Strömungsgeschwindigkeit.
Da für diese Art von Bauteilen jedenfalls in zahlreichen Anwendungsfällen keine extremen mechanischen Belastungen zu erwarten sind, bietet es sich hinsichtlich der gerne herangezogenen metallischen Werkstoffe wie z.B. Kupfer grundsätzlich an, das Bauteil durch Gießen in eine zu der Wandstruktur des Bauteils komplementären Gussform herzustellen. Aufgrund der durch die Mäanderförmigkeit hervorgerufenen relativ großen Kontaktfläche und der deswegen beim Lösen zu überwindenden höheren Kraftaufwands werden derartige Bauteile heutzutage jedoch durch Fräsen hergestellt. Die Wandstruktur entsteht dadurch, dass die Kanalstruktur aus dem Vollen in das Teil eingefräst wird. Aufgrund moderner CNC-gesteuerter Fräsköpfe kann die Struktur mit ausreichender Genauigkeit eingefräst werden, und die oben genannten Schwierigkeiten stellen sich nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art insbesondere hinsichtlich einer guten Kombination aus Herstellungsaufwand und Herstellungszeit weitergehend zu verbessern.
Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht dadurch gelöst, dass man die die Kanalstruktur definierende Wandstruktur durch Vorwärtsfließpressen eines Butzens entlang einer mit der vorgegebenen Achsrichtung übereinstimmenden Pressachse erzeugt, und das Bauteil aus dem so erzeugten fließgepressten Teil bildet.
Bei der erfindungsgemäßen Herstellung ist gegenüber dem üblichen Fräsen der Herstellungsaufwand stark erhöht, da eine Fließpresse bereitgestellt werden muss, aufgrund der mäanderförmigen Strukturen eine komplexe Matrize der Fließpresse anzufertigen ist, und sich aufgrund der im Gegensatz zu drehsymmetrischen Gestaltungen, für die sich das Fließpressen eignet, nicht-drehsymmetrischen Strukturen die Prozessanforderungen an die Presswerkzeuge erhöhen. Zudem treten die oben hinsichtlich des Gießens erläuterten Probleme beim Fließpressen in verstärktem Maße auf, da das zum Fließen gebrachte Material des Butzens unter sehr hohem Druck in die Matrize eingebracht wird und bei der vergleichsweise hohen Kontaktfläche ein Lösen des fließgepressten Teils aus der Matrize/der Presse deutlich erschwert ist.
Für das Fließpressen kommt noch erschwerend hinzu, dass aufgrund der auch im zentralen Bereich der Basis angeordneten Wandstruktur ein typischerweise beim Fließpressen eingesetzter zentrierter Auswurfstempel nicht einsetzbar ist, da dort die Wandstruktur vorhanden ist, und ein für das Auswerfen herangezogener Angriffspunkt an der Basis außerhalb der Wandstruktur, wenn überhaupt vorhanden, aufgrund der dann auftretenden Biegekräfte ebenfalls zu einer Zerstörung des fließgepressten Teils oder zu seinem Verklemmen in der Matrize führen würde.
Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung erkannt worden, dass die Herstellung derartiger Teile durch Fließpressen dennoch möglich ist, wenn der Stempel das fließgepresste Teil aus der Matrize der Fließpresse herauszieht, indem (unter Aufbringung eines zusätzlichen Materialaufwands) an der der Wandstruktur abgewandten Seite der Basis durch Rückwärtsfließpressen Materialstrukturen geschaffen werden, über die eine Rückholbewegung des Stempels die erforderliche Lösekraft auf das fließgepresste Teil aufbringt (auch wenn diese Materialbereiche keine anderweitige Funktion haben und zur Bildung des Bauteils aus dem fließgepressten Teil dann durch z.B. Planfräsen zu entfernen sind). Zweckmäßig können bei dieser Weiter- oder Endbearbeitung auch Zipfelbildungen der vorwärtsfließgepressten Wandstruktur z.B. ebenfalls durch ein Planfräsen beseitigt werden.
Trotz dieser geschilderten Schwierigkeiten und dem zu deren Überwindung erforderlichen Aufwand ist im Rahmen der Erfindung jedoch erkannt worden, dass hinsichtlich der Bearbeitungszeit über eine Planfräsbearbeitung an Vorder- und Rückseite gegenüber einem Fräsen der Kanalstruktur noch ein Zeitvorteil verbleibt, der diesen Aufwand rechtfertigt. Bevorzugte Gestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
In produkttechnischer Hinsicht sind entsprechend bereitstellbar Bauteile aus einem metallischen Werkstoff, mit einer sich orthogonal zu einer vorgegebenen Achsrichtung erstreckenden Basis und einer sich in einem einen zentralen Bereich der Basis umfassenden Flächenbereich der Basis von dieser in Richtung der vorgegebenen Achsrichtung erstreckenden, bezüglich einer Drehung um die vorgegebene Achsrichtung nicht dreh-symmetrischen und zwischen sich eine wenigstens zum Teil mäanderförmige Kanalstruktur definierenden Wandstruktur einer Höhe von wenigstens 1 mm, wobei das Bauteil aus einem die Basis und die die Kanalstruktur definierende Wandstruktur durch Fließpressen erzeugt aufweisenden fließgepressten Teil gebildet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Wandstruktur eine Mehrzahl von L-, U-, Z- und/oder S-förmigen Wandabschnitten aufweist. Eine aus derartigen Wandabschnitten gebildete Wandstruktur ermöglicht die Bildung mäanderförmiger Kanalstrukturen mit bezogen auf die Fläche des Flächenbereichs langen Kanalwegen. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt, dass wenigstens zwei Stellen innerhalb des Flächenbereichs vorgesehen sind, deren kürzeste in Kanälen der Kanalstruktur verlaufende Verbindung wenigstens so lang ist wie ein Vielfaches der Quadratwurzel der Fläche des Flächenbereichs. Mit dem Ausdruck „innerhalb des Flächenbereichs“ soll verdeutlicht werden, dass der außerhalb liegende Raum hierfür nicht heranzuziehen ist, die diesbezügliche Begrenzung (Außenkontur) des Flächenbereichs ist durch die Form eines unter Spannung um die Wandstruktur gelegten elastischen Bandes definiert. Dabei kann die Außenkontur auch Teil der Wandstruktur selbst sein. Der Flächenbereich definiert ja nicht nur den Bereich der Basis, an dem die Wandstruktur Kontakt hat, sondern auch die innerhalb dieser Außenkontur liegenden Zwischenbereiche (Kanalstruktur).
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein Asymmetrie-Faktor des Flächenbereichs, ausgedrückt als Quotient zwischen seiner kürzesten und seiner längsten durch sein Zentrum gehenden Querabmessung größer als 0,3, bevorzugt größer als 0,4, insbesondere als 0,5 und/oder kleiner als 0,95, insbesondere als 0,9. Bei beispielsweise rechteckiger Form des Flächenbereichs ist dieser Quotient gegeben durch die kürzere Seitenlänge des Rechtecks geteilt durch seine Diagonale.
In einer möglichen Ausgestaltung ist die Kanalstruktur unverzweigt und es lässt sich ihr ein Anfang und ein Ende zuordnen, die in der Anwendung mit einem Fluideinlass und Fluidauslass gekoppelt werden können. Es ist jedoch auch vorgesehen, dass die Kanalstruktur verzweigt sein kann, also zwischen zwei Stellen Verbindungen im Kanalsystem über zwei wenigstens teilweise disjunkte Verbindungswege bestehen. Auch Mehrfachverzweigungen sind denkbar. Grundsätzlich ebenfalls denkbar wären mehrere separate mäanderförmige Kanalstrukturen innerhalb des Flächenbereichs.
Dabei wird es bevorzugt, dass eine Gesamtlänge der Kanalstruktur wenigstens dem Vierfachen, bevorzugt wenigstens dem Sechsfachen, insbesondere wenigstens dem Achtfachen der Quadratwurzel der Fläche des Flächenbereichs beträgt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist wenigstens ein überwiegender Bereich der Wandstruktur eine Wandstärke von weniger als 4 mm, bevorzugt weniger als 3 mm, insbesondere weniger als 2 mm auf. Auf diese Weise wird die Grundlage für einen möglichst großen Volumenstrom eines Mediums geschaffen, indem mehr Raumvolumen für die Kanalstruktur verbleibt. Es ist jedoch vorgesehen, dass die Wandstärke bevorzugt wenigstens 0,4, weiter bevorzugt wenigstens 0,6, insbesondere wenigstens 0,8 mm beträgt, aus herstelltechnischen Gründen.
Aus dem gleichen Grund wird es bevorzugt, dass wenigstens in einem überwiegenden Bereich der Wandstruktur das Verhältnis aus Wandhöhe zu Wanddicke geringer ist als 8, bevorzugt als 6, insbesondere als 4 und/oder größer ist als 0,5, bevorzugt als 1,0, insbesondere als 1,5. In diesem Bereich erhält man zufriedenstellende Fließverhältnisse und entsprechende Werkzeugschonung. Absolut gesehen werden Wandhöhen von kleiner 2 cm, bevorzugt kleiner 1,2 cm, insbesondere auch kleiner 0,7 cm in Betracht gezogen.
Die Wandstruktur kann des Weiteren einen den Flächenbereich umlaufenden Außenrahmen aufweisen. Somit ist im Anwendungsfall eine seitliche Begrenzung der Strömungskanäle bereits durch das Bauteil selbst bereitgestellt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist wenigstens in einem überwiegenden Bereich das Verhältnis aus Wandstärke der Wandstruktur und Kanalbreite der Kanalstruktur kleiner als 2, bevorzugt kleiner als 1, insbesondere kleiner als 1/2 und/oder größer als 1/12, bevorzugt als 1/10, insbesondere als 1/8. Auf diese Art wird ein guter Kompromiss aus zufriedenstellender Wärmeabführung im Einsatz und Grundlage einer Gesamtkontaktfläche zwischen dem fließgepressten Teil und der Matrize der Fließpresse geschaffen.
In diesem Zusammenhang ist auch bevorzugt vorgesehen, dass ein Quotient einer Grenzfläche zwischen Wandstruktur und Kanalstruktur und der Querschnittsfläche der Wandstruktur (in einem Schnitt orthogonal zur vorgegebenen Achsrichtung/Pressachse) geringer ist als 4, bevorzugt als 2, insbesondere als 1 und/oder geringer ist als α · [(UTS/(б_p · µ)], wobei α bevorzugt kleiner 0,9, weiter bevorzugt kleiner 0,8 ist. Dabei ist UTS die Zugfestigkeit des Werkstoffes bei Umformtemperatur, б_p der Druck, den der Werkstoff innerhalb der Wandstruktur auf die Matrize ausübt und µ der Reibwert zwischen umzuformendem Werkstoff und Werkzeug.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Bauteil an der der Wandstruktur abgewandten Seite seiner Basis planar ausgebildet und weist dort insbesondere keine weiteren aufgesetzten Strukturen auf. Wie oben bereits erläutert, kann dies durch ein Planfräsen von gezielt zum Zweck des Lösens des fließgepressten Teils rückwärts fließgepresster Materialbereiche erreicht werden.
Ein Bauteil nach einem der oben genannten Aspekte könnte dann als ein Kombinationsbauteil und mit einem zweiten, die der Basis des ersten Bauteils abgewandte Seite von dessen Wandstruktur abdeckenden zweiten Bauteil, das zur diesseitigen Kopplung mit dem ersten Bauteil ausgelegt ist, eingesetzt werden, etwa mit einer Halbleiterstruktur, zu deren Kühlung das Bauteil an einer Seite der Halbleiterstruktur vorgesehen ist.
Bevor nachstehend mit Bezug auf die Figuren auch einzelne Bauteile als Ausführungsbeispiele erläutert werden, werden noch einige Erläuterungen zu Material und Verfahrensaspekten gegeben.
Bei dem metallischen Werkstoff handelt es sich um einen fließpressbaren Werkstoff. Es kann sich um einen im Wesentlichen reinen Werkstoff oder auch um eine Legierung handeln, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass wenigstens 94%, insbesondere wenigstens 98% des Werkstoffs aus einem Metall mit kubisch-flächenzentriertem Aufbau bestehen. Der Werkstoff soll eine Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K) von wenigstens 160, bevorzugt wenigstens 220, insbesondere wenigstens 280 aufweisen. Insbesondere wenn auch das Gewicht von Bedeutung ist, kann an Aluminium als Hauptbestandteil (z.B. nahezu reines Al 99,5%) des Werkstoffs gedacht werden. Am meisten bevorzugt ist Kupfer als Hauptbestandteil des Werkstoffs, insbesondere reines Kupfer.
Bei dem Fließpressen handelt es sich um ein per se bekanntes und idealerweise für drehsymmetrische Strukturen ohne höhere Komplexität eingesetztes Massivumformverfahren, bei dem der umzuformende Werkstoff in Form eines Butzens in eine Fließpresse unter Einwirkung von hohem Druck zum Fließen gebracht wird und durch die Gestalt der Fließpresse (Stempel und Matrize) in die das Formteil bestimmende Form gebracht wird.
Aufgrund des hohen Drucks beim Umformen kann dieses auch bei Raumtemperatur erfolgen (Kaltfließpressen), d.h. die Butzen müssen nicht zwingend vor dem Pressvorgang je nach Werkstoff auf Temperaturen zwischen beispielsweise 200° und 800° gebracht werden (Warmfließpressen). Für die gegenständliche Erfindung ist in verfahrenstechnischer Hinsicht das Kaltfließpressen bevorzugt.
Die beim Pressen aufgebrachte Kraft kann sich, auch bei der vorliegenden Erfindung, im Bereich von größer 1 MN, insbesondere größer 5 MN bewegen, entsprechend hoch ist der Druck, unter dem der fließende Werkstoff beim Vorwärtsfließpressen gegen die Matrize gedrückt wird. Vor dem Fließpressen wird der Butzen und/oder Arbeitsflächen der das Fließpressen ausführenden Fließpresse mit einem Schmiermittel versehen. In verfahrenstechnischer Hinsicht wird noch bevorzugt, dass eine üblicherweise vor einem Aufrauhen und Befetten der Butzen zur Verringerung der Härte der Butzen beim Fließpressen vorgenommene Wärmebehandlung nach dem Aufrauhen stattfindet, um die Kaltverfestigung des Aufrauhens abzubauen.
Nach dem Fließpressen kommt erfindungsgemäß bevorzugt kein Auswerfen über einen Auswurfstempel, der matrizenseitig angeordnet ist zustande. Einerseits aufgrund der oben bereits geschilderten Problematiken, andererseits, um den dafür andernfalls vorzusehenden Bauraum besser zur Abstützung der Matrize zu nutzen. Das Aufbringen der Lösekraft erfolgt dann über einen rückwärts fließgepressten Materialbereich an der der Wandstruktur abgewandten Seite der Basis. Insbesondere kann dieser Materialbereich in eine Hinterschneidung des Stempels eingreifen, jedoch nur derart (geringfügig), dass bei der Rückholbewegung des Stempels das fließgepresste Teil über eine Kante des rückwärts fließgepressten Materialbereichs noch abstreifbar ist. Die Art des Eingriffs des rückwärts fließgepressten Materials in den Bereich der Stempelfläche hinein kann über einen konischen Bereich der Stempelaußenwand realisiert sein, oder über eine Einkerbung oder eine Kombination davon.
Dieser Aspekt der Erfindung betreffend das Lösen des fließgepressten Teils aus dem Fließpresswerkzeug bzw. aus der Matrize wird von der Erfindung grundsätzlich auch unabhängig vom Bauteil bzw. der Bauteilstruktur als vorteilhaft und schützenswert angesehen, beispielhaft dann, wenn ein Angriff mit ausreichender Querschnittsfläche für einen Auswerfer problematisch ist oder insgesamt fragile Bauteile fließgepresst werden sollen, bei denen der Auswerfer ungewünschte Verformungen bewirken könnte. Hierzu stellt die Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 15 bereit, und eine bevorzugte Ausgestaltung nach Anspruch 16.
Die Hinterschneidung im Stempel ist somit derart geschaffen, dass zum einen über den Formschluss des fließgepressten Materials mit der Hinterschneidung das Lösen des fließgepressten Teils aus der Matrize erfolgen kann, bevorzugt zum anderen jedoch zudem das oben genannte Abstreifen des fließgepressten Teils vom Stempel noch möglich ist. Für den Flächenbereich der Hinterschneidung, über den die Kraftübertragung erfolgt, wird dazu eine (effektive) Konizität mit einem (mittleren) Winkel von größer als 5°, insbesondere größer als 10° und/oder kleiner als 25°, insbesondere als 20° bevorzugt, wobei eine radiale Tiefe quer zur Pressachse bevorzugt größer als 0,4 mm, insbesondere als 0,5 mm und/oder geringer als 1,4 mm, insbesondere als 1,2 mm ist.
Der Werkstoff der Matrize ist bevorzugt ein Werkzeugstahl, insbesondere ein Werkzeugstahl hoher Güte, bevorzugt erreicht durch eine homogene Struktur über Verpressen eines Pulvermetalls als Ausgangsmaterial.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren, von denen

1 eine schematische Anordnung eines Fließpresswerkzeugs zeigt,
2 eine Draufsicht auf dessen Matrize zeigt,
3 eine Seitenansicht dessen Stempels zeigt,
4a eine Schnittansicht des Fließpresswerkzeugs zeigt,
4b einen vergrößerten Teilausschnitt aus 4a zeigt,
5a u. 5b perspektivische Ansichten eines mit dem Fließpresswerkzeug fließgepressten Teils zeigt, und
6a bis 6d eine Ablaufsequenz eines Fließpressvorgangs zeigt.

Das in 1 schematisch dargestellte Fließpresswerkzeug 100 weist als Hauptkomponenten einen Stempel 1 und eine Matrize 2 auf. Zudem ist noch ein später erläuterter Abstreifer 3 vorgesehen. Das Fließpresswerkzeug 100 kann in üblicher Weise in eine Fließpresse integriert sein, welche zum einen die erforderlichen Kräfte zur Bewegung des Stempels 1 aufbringt und zum anderen die Matrize 2 gegen die auftretenden Fließpresskräfte abstützt.
In der schematischen Draufsicht auf die Matrize 2 in 2 ist in diese eine Komplementärform des fließzupressenden Werkstücks eingearbeitet. Man erkennt, dass in eine orthogonal zur Pressachsrichtung verlaufende Grundebene 20 der Matrize 2 rinnenartige Vertiefungen 22, 24 und 26 eingebracht sind. Im Beispielsfall der gezeigten Ausgestaltung ist die Rinne 22 eine im Wesentlichen in Form eines Quadratumfangs umlaufende Rinne mit abgerundeten Ecken. Mehrere Rinnen 24 sind an zwei gegenüberliegenden Seiten der Rinne 22 gegeneinander versetzt in Richtung auf die jeweils andere Seite zulaufende gerade Rinnen 24. In dem innerhalb der Rinne 22 liegenden Bereich der Grundebene 20, die aufgrund der Rinnen 24 bereits mäanderförmig ist, schlängelt sich noch Rinne 26, im Wesentlichen dem mäanderförmigen Verlauf dieses Bereichs mittig folgend, welcher dadurch nochmals zweigeteilt wird. Wie später mit Bezug auf 5a besser erkennbar ist, wird in diesem Bereich eine Kanalstruktur eines fließgepressten Materials gebildet, und die sich aus den Rinnen 22, 24 und 26 ergebenden fließgepressten Materialbereiche bilden eine diese Kanalstruktur berandende Wandstruktur.
Aufgrund der durch die Rinnen 22, 24 und 26 gebildeten Struktur der Matrize 2 ergeben sich zum einen vergleichsweise große Kontaktflächen zwischen der Matrize und einem damit fließgepressten Teil und somit im Vergleich zu üblichen fließgepressten Strukturen deutlich höhere Kräfte für das Lösen des fließgepressten Teils aus der Matrize 2. Zum anderen ist jedoch kein für das Fließpressen üblicher Auswerfer vorgesehen, der von in 2 von unterhalb der Papierebene eine in Richtung auf in 2 oberhalb der Papierebene gerichtete Auswurfbewegung zum Auswerfen des fließgepressten Teils ausführen könnte (aus den eingangs erläuterten Gründen).
Das Lösen des fließgepressten Teils aus der Matrize 2 ist vielmehr bewirkt durch ein herausziehendes Lösen infolge einer Rückholbewegung des Stempels 1, der in 3 in einer Seitenansicht dargestellt ist. Der Stempel 1 hat in dieser Ausführungsform einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt mit Kantenlänge a. Die der Matrize zugewandte Endfläche 10 des Stempels 1 tritt jedoch, wie besser in der in 3 ebenfalls dargestellten Detailansicht dargestellt, gegenüber der Berandung des Stempelhauptkörpers 15 etwas zurück, nämlich um einen Abstand Δ1. Zudem weist der Stempel 1 eine Hinterschneidung 13 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel dadurch entsteht, dass die nahe der Endfläche 10 liegenden Seitenwände 14 des Stempels 1 konisch verlaufen. In diesem Ausführungsbeispiel verlaufen die Seitenwände 14 gegenüber der Pressachse X unter einem Winkel α von ca. 15°. Die Tiefe Δ2 der Hinterschneidung 13 gegenüber der Querabmessung der Endfläche 10 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa 0,7 mm.
Durch die Hinterschneidung 13 ist somit ein Raum geschaffen, in den beim Fließpressen der gewünschten Struktur im Vorwärtsfließpressen gleichzeitig Material des Butzens durch Rückwärtsfließpressen eindringen kann und wird. Dieses Material hintergreift somit die Endfläche 10 und bewirkt, dass das fließgepresste Teil bei der Rückholbewegung des Stempels 1 aus der Matrize 2 herausgezogen wird. Die axiale Länge L der Hinterschneidung 13 und deren Geometrie (hier α) ist dabei so gewählt, dass bei der Rückholbewegung eine ausreichende Haltekraft zwischen Stempel 1 und fließgepresstem Teil 4 (4a) sichergestellt ist. Eine Erhöhung des Winkels α und/oder eine Verlängerung der axialen Länge L des Hinterschneidungsbereichs 13 erhöhen diese Haltekraft. An dieser Stelle ist anzumerken, dass in diesem Ausführungsbeispiel wie auch sonst bevorzugt die durch die Hinterschneidung 13 gebildeten Kanten abgerundet sind, wie ebenfalls in 3 erkennbar ist.
Dieser Mechanismus ist in 4a gut zu erkennen, in der eine Schnittansicht durch das Fließpresswerkzeug gezeigt ist, und zwar in der Endstellung des Stempels 1 bei dessen Fließpressbewegung, so dass das fließgepresste Material in 4a bereits die Form des fließgepressten Werkstücks 4 hat. Die Schnittebene in 4a ist die durch die Pressachse X und die Erstreckung der zentralen unter den Rinnen 24 der Matrize 2 gebildete Richtung gegeben. Die Grundebene 20 der Matrize 2 ist eine Referenz für das Vorwärts- bzw. Rückwärtsfließpressen. So wird der Bereich des fließgepressten Teils 4, der sich aus dem in die Rinnen 22, 24, 26 eindringenden Material ergibt, durch Vorwärtsfließpressen gebildet, wohingegen der in der Hinterschneidung 13 entstehende Materialbereich durch Rückwärtsfließpressen gebildet ist.
Zwischen den Seitenflächen 18 des Hauptkörpers 15 des Stempels 1 und den Seitenflächen 28 der Matrize 2 (2) ist noch ein Spalt Δ3 gebildet, der bei der vorliegenden Ausführungsform nur ein Bruchteil eines Millimeters beträgt, etwa 0,4 mm. Dieser Spalt bewirkt, dass ein Rückwärtsfließpressen nicht nur im Bereich der Hinterschneidung 13 stattfindet, sondern auch noch im Spaltbereich, und sich eine Kante 49 des Fließpressteils 4 ausbildet, die über den zwischen der Fläche 12 (3) und der Seitenwand 18 des Stempels gebildeten Kante übersteht. Diese Maßnahme dient dem Abstreifen des fließgepressten Teils 4 bei der Rückholbwegung des Stempels 1 mittels des Abstreifers 3.
Wie aus 4a zu erkennen ist, wird der Stempel 1 dazu durch eine leicht trichterförmige Durchgangsöffnung durch den Abstreifer 3 geführt, deren engeres Ende an der der Matrize zugewandten Seite 30 des Abstreifers 3 gebildet ist. Die Querabmessungen des Abstreifers 3 an dieser Seite 30 sind geringer als die zwischen den Seitenwänden 28 der Matrize 2, so dass die Kanten 49 des fließgepressten Teils 4 an der Berandung 39 der Durchgangsöffnung an der Seite 30 des Abstreifers 3 anschlagen und das fließgepresste Teil 40 bei einer weitergehenden Rückholbewegung des Stempels 1 abgestreift wird. Es versteht sich, dass die oben erläuterten Parameter zur Einstellung einer Haltekraft für das herausziehende Lösen des fließgepressten Teils 4 aus der Matrize 2 auch für das Abstreifen relevant sind. Die Abstimmung der Geometrie der Hinterlegung 13 wird somit auch in Richtung nicht zu hoher Haltekräfte abgestimmt, dass bei einer üblichen Rückholbewegung ein diese nicht wesentlich beeinträchtigendes Abstreifen möglich ist. Allgemein wird es bevorzugt, wenn die Konizität (α) der Hinterschneidung größer ist als 5°, insbesondere größer als 10° und/oder kleiner ist als 25°, insbesondere als 20°. Eine radiale Tiefe (Δ2) der Hinterschneidung 13 ist allgemein bevorzugt größer als 0,4 mm, insbesondere als 0,5 mm und/oder geringer als 1,4 mm, insbesondere als 1,2 mm. Die Hinterlegung 13 ist bevorzugt um einen überwiegenden Teil des Stempelumfangs gebildet, insbesondere wie in diesem Ausführungsbeispiel vollumfänglich.
Das auf diese Weise fließgepresste Teil 4 ist in den 5a und 5b gezeigt. An der Seite 40, die im Herstellvorgang der Grundebene 20 der Matrize 2 zuzuordnen ist, ist eine Wandstruktur 42, 44, 46 ausgebildet, die komplementär zu den Rinnen 22, 24 und 26 gebildet ist. Wand 42 bildet demgemäß eine umlaufende Struktur, die Wände 44 sind von gegenüberliegenden Seiten der umlaufenden Wandstruktur versetzt nach innen ragende Wände, und die sich serpentinenartig schlängelnde Wand 46 unterteilt eine bereits durch die Wandabschnitt 42 und 44 gebildete mäanderförmige Kanalstruktur nochmals mittig. Die Zwischenräume zwischen der Wandstruktur 42, 44 und 46 lassen sich somit aufgrund ihrer Mäanderförmigkeit gut für Wärmetauschereinrichtungen verwenden.
Es versteht sich, dass beliebige Modifikationen der Art und Weise, wie genau die mäanderförmige Wand und entsprechende mäanderförmige Kanalstruktur gebildet ist, möglich sind. Im vorliegenden Fall gibt es, ausgehend von einer Ecke 43 innerhalb der umlaufenden Wandstruktur 42, zwei mäanderförmige Kanäle um z.B. zur diagonal gegenüberliegenden Ecke zu gelangen, es sind jedoch auch darüber hinausgehende Mehrfachverzweigungen denkbar oder andere Kanalverläufe, z.B. auch ein einziger abzweigungsfreier Kanal.
In 5b erkennbar ist eine auf der anderen Seite 41 des fließgepressten Teils 4 gebildete Wand 48, die durch das Rückwärtsfließpressen entstanden ist. Man erkennt einen Materialbereich 47 innerhalb der Wand 48, die einem Komplementär des Hinterschneidungsbereichs 13 des Stempels 1 entspricht und beim Lösen des fließgepressten Teils 4 aus der Matrize 2 als Halteanker dient. Diese Wandbereiche 48 müssen zunächst keine Funktion bei einer späteren Verwendung aufweisen und haben bevorzugt auch keine Funktion, vielmehr werden sie in diesem Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines gewünschten Bauteils entfernt, beispielsweise durch ein planares Abfräsen, so dass die Rückseite 41 des fließgepressten Teils 4 z.B. vollständig eben sein kann (die Wände 48 sind dann bei dem nicht gezeigten Bauteil nicht mehr vorhanden).
In der Sequenz der 6a bis 6d ist nochmals der gesamte Fließpressvorgang in festgehaltenen Momenten dargestellt. So zeigt 6a den Moment, in dem der Stempel 1 auf den in die Matrize 2 eingelegten Butzen trifft, die in diesem Ausführungsbeispiel aus Kupfer gebildet ist. 6b entspricht der Darstellung von 4a, das fließgepresste Teil ist aus dem Butzen durch Vorwärtsfließpressen des funktionalen Teils des späteren Verwendungszwecks und Rückwärtsfließpressen der dem Ausformen dienenden Struktur 47, 48, 49 gebildet.
In 6c ist dargestellt, wie das über die Verankerungsbereiche 47 in den Hinterschneidungen 13 des Stempels 1 aus der Matrize 2 herausgezogene fließgepresste Teil 4 am Abstreifer 3 vom Stempel 1 abgestreift wird; das abgestreifte fließgepresste Teil 4 kann bei horizontaler Ausrichtung der Fließpressachse X unter Einwirkung der Gewichtskraft zu einer Sammelstelle gelangen, im Falle von z.B. vertikalen Pressachsrichtungen könnten hierfür z.B. Druckluftpulse genutzt werden.
Wie aus dem obigen Beispiel hervorgeht, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren neuartige fließgepresste Strukturen trotz vergleichsweise großer Kontaktflächen zwischen fließgepresstem Teil und Matrize herstellen, die dem Fließpressen aufgrund der starken Haftung zwischen fließgepresstem Teil und Matrize und fehlender Einsatzmöglichkeit üblicher Auswerfer bislang nicht zugänglich waren.
Das in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiel ist jedoch nicht für die Erfindung einschränkend. Vielmehr können die in der vorstehenden Beschreibung aufgezeigten Merkmale sowie die in den nachstehenden Ansprüchen angeführten Merkmale einzeln oder in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Verfahren der Herstellung eines Bauteils aus einem metallischen Werkstoff mit einer sich orthogonal zu einer vorgegebenen Achsrichtung (X) erstreckenden Basis (40) und einer sich in einem einen zentralen Bereich der Basis umfassenden Flächenbereich der Basis von dieser in Richtung der vorgegebenen Achsrichtung erstreckenden, bezüglich einer Drehung um die vorgegebene Achsrichtung nicht-drehsymmetrischen und zwischen sich eine wenigstens zum Teil mäanderförmige Kanalstruktur (45) definierenden Wandstruktur (42, 44, 46) einer Höhe von wenigstens 1 mm, dadurch gekennzeichnet, dass man die die Kanalstruktur definierende Wandstruktur durch Vorwärtsfließpressen eines Butzens entlang einer mit der vorgegebenen Achsrichtung übereinstimmenden Pressachse (X) erzeugt, und das Bauteil aus dem so erzeugten fließgepressten Teil (4) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wandstruktur (42, 44, 46) eine Mehrzahl von L-, U-, Z- und/oder S-förmigen Wandabschnitten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem wenigstens zwei Stellen innerhalb des Flächenbereichs vorgesehen sind, deren kürzeste in Kanälen der Kanalstruktur verlaufende Verbindung wenigstens so lang ist wie ein Vielfaches der Quadratwurzel der Fläche des Flächenbereichs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Asymmetrie-Faktor des Flächenbereichs, ausgedrückt als Quotient zwischen seiner kürzesten und seiner längsten durch sein Zentrum gehenden Querabmessung größer ist als 0,3, bevorzugt größer als 0,4, insbesondere als 0,5 und/oder kleiner ist als 0,95, insbesondere als 0,9.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kanalstruktur (45) verzweigt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem eine Gesamtkanallänge der Kanalstruktur wenigstens dem Vierfachen, bevorzugt wenigstens dem Sechsfachen, insbesondere wenigstens dem Achtfachen der Quadratwurzel der Fläche des Flächenbereichs beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem wenigstens ein überwiegender Bereich der Wandstruktur (42, 44, 46) eine Wandstärke von weniger als 4 mm, bevorzugt weniger als 3 mm, insbesondere weniger als 2 mm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem wenigstens in einem überwiegenden Bereich der Wandstruktur (42, 44, 46) des fließgepressten Teils das Verhältnis aus Wandhöhe zu Wanddicke geringer ist als 8, bevorzugt als 6, insbesondere als 4 und/oder größer ist als 0,5, bevorzugt als 1,0, insbesondere als 1,5.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Wandstruktur (42, 44, 46) einen den Flächenbereich umlaufenden Außenrahmen (42) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem wenigstens in einem überwiegenden Bereich das Verhältnis aus Wandstärke der Wandstruktur und Kanalbreite der Kanalstruktur kleiner ist als 2, bevorzugt kleiner als 1, insbesondere kleiner als 1/2 und/oder größer ist als 1/12, bevorzugt als 1/10, insbesondere als 1/8.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Quotient einer Grenzfläche zwischen Wandstruktur und Kanalstruktur und der Querschnittsfläche der Wandstruktur des fließgepressten Teils geringer ist als 4, bevorzugt als 2, insbesondere als 1 und/oder geringer ist als α · [(UTS/(б_p · µ)], wobei α bevorzugt kleiner 0,9, weiter bevorzugt kleiner 0,8 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem in einem dem Fließpressen nachgelagerten Schritt die der Wandstruktur abgewandte Seite der Basis planar ausgebildet wird, wobei rückwärts fließgepresste Strukturen abgetragen werden, und/oder bei dem die Wandstruktur durch insbesondere planares Beseitigen von Zipfelbildungen auf einheitliches Höhenniveau gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem ein Lösen des fließgepressten Teils aus einer Matrize (2) eines Fließpresswerkzeugs durch eine Rückholbewegung eines Stempels (1) des Fließpresswerkzeugs bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem rückwärts fließgepresste Materialbereiche (47) einen Formschluss mit einer Hinterschneidung (13) des Stempels bilden und die Lösekräfte übertragen.
Fließpressverfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und insbesondere im Kaltfließpressen, bei dem durch Vorwärtsfließpressen und/oder Rückwärtsfließpressen mittels eines eine Matrize und einen Stempel aufweisenden Fließpresswerkzeugs eine Struktur des Bauteils erzeugt wird und bei dem eine von einer Rückholbewegung des Stempels bewirkte Lösekraft zum Lösen des die Struktur aufweisenden fließgepressten Teils aus der Matrize wenigstens zum Teil, insbesondere zu einem überwiegenden Teil über einen Formschluss rückwärts fließgepresster Materialbereiche mit einer Hinterschneidung des Stempels übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem der Formschluss durch ein Abstreifen des fließgepressten Teils (4) bei der Rückholbewegung gelöst wird.
Fließpresswerkzeug (100) mit einer Matrize (2) zur Ausbildung der in einem der Ansprüche 1 bis 16 definierten Strukturen, zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
Fließpresse mit einem Fließpresswerkzeug (100) nach Anspruch 17.