DE102018213456A1

DE102018213456A1 - Gestaltungsmerkmale von mit ungleichem Material verstärkten Rohlingen und Stangenpresslingen zum Formen

Info

Publication number: DE102018213456A1
Application number: DE102018213456.1A
Authority: DE
Inventors: Ryan M. Hahnlen; Duane Trent Detwiler; Allen B. Sheldon; Marcelo J. Dapino; Mark Bryant GINGERICH; Leon M. Headings
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Ohio State University
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Ohio State Innovation Foundation
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2019-02-14
Also published as: CN109382631B; US11351590B2; JP2019035505A; CN109382631A; US20190047031A1; JP7136625B2

Abstract

Verfahren eines Hinzufügens einer Verstärkung zu einem Metallrohling vor einem Formgebungsprozess. Die Verstärkung ist mittels eines Ultraschall-Additiv-Herstellungsverfahrens (UAM) befestigt, um einen Verbundmaterialrohling zu erzeugen, welcher dann zum Biegen und zum Verformen des Verbundmaterialrohlings einem Formgebungsprozess unterzogen wird, und um eine verstärkte Fahrzeugkomponente zu formen. Die Verstärkung ist derart an dem Metallrohling platziert, dass nachdem diese dem Formgebungsprozess unterzogen wurde, eine Verstärkung in Schlüsselgebieten der geformten Fahrzeugkomponente vorliegt. Die Verstärkung führt zu der finalen geformten Fahrzeugkomponente mit verbesserten Eigenschaften, wie beispielsweise einer geringeren Dichte, erhöhten Festigkeits-, Steifigkeits- oder Energieabsorptionseigenschaften.

Description

Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität von der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/543,471, eingereicht am 10. August 2017, welche durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Automobilkomponenten/-teile werden häufig aus einem im Wesentlichen flachen Rohlingsmaterial (z.B. Blechmetall) hergestellt, indem der Rohling einem Formgebungsprozess (z.B. einem Stanzen, einem Extrudieren, usw.) derart unterzogen wird, dass der Rohling in eine gewünschte konturierte Gestalt geformt wird. In einem Bestreben das Gewicht von Fahrzeugen zu reduzieren und die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen, wird die Stärke (z.B. die Dicke) von verwendetem Material in diesen geformten Automobilkomponenten reduziert. Jedoch wird mit einer Reduzierung der Stärke des verwendeten Materials in der geformten Komponente die Festigkeit und andere Charakteristika der geformten Komponente verringert oder auf andere Weise komprimiert. Um diese mit der Verringerung der Stärke verbundene Verringerung der Festigkeit zu adressieren, werden verschiedene Verfahren zum Verstärken der geformten Komponenten verwendet.
Herkömmliche verstärkte geformte Komponenten umfassen Klebestellen (sowohl nicht verstärkte als auch faserverstärkte), welche an der Komponente platziert werden, nachdem diese geformt ist; sekundäre ungleiche Verstärkungsstrukturen, welche an dem Rohling oder der geformten Komponente befestigt sind oder an den Rohling oder die geformte Komponente geschweißt sind; oder ähnliche Materialien, welche vor einem Formen an den Rohling geschweißt wurden. Beispiele von Verstärkungsstrategien umfassen in metallischen Fahrzeugtüraußenpaneelen verwendete Klebestellen, punktverschweißte Versteifungen in Fahrzeugrahmenkomponenten, maßgenau verschweißte und maßgenau gerollte Rohlinge in Automobiltürinnerenstrukturen sowie Stellen mit verstärktem Stahl, welche mit Stahlrohlingen vor einem Formen punktverschweißt wurden. Schrauben-/Bolzenanbringungspunkte für hochbeanspruchte Komponenten, wie Türgelenke, sind häufig unter Verwendung von dickeren Blechmaterial mit maßgenauen geschweißten Rohlingen oder Verstärkungsmetallplatten, welche nach einem Formen angebracht werden, verstärkt. Andere Verfahren zum Erzeugen geformter Fahrzeugkomponenten mit räumlich variablen Eigenschaften umfassen ein variables Abschrecken-Heiß-Stanzen und selektive nachformende Wärmebehandlungen.
Bis jetzt ist die Verwendung von Blechmetallkomponenten mit einer „Stärkeverringerung“ oder einer Änderung hin zu „leichtgewichtigen“ Materialien, beispielsweise von Stahl zu Aluminium, ein Schlüsselverfahren zur Gewichtsreduzierung von Fahrzeugen gewesen. In Bezug auf geformte Metallkomponenten war eine Verringerung der Stärke von einem Blechmetallrohling eine inhärente Beschränkung basierend auf Festigkeit, Steifigkeit, Energieabsorption oder Ermüdungseigenschaften, welche für die geformte Metallkomponente benötigt wird/werden. Auch wenn leichtgewichtige Materialien weniger dicht als Stahl sein können, weisen sie häufig eine geringere Festigkeit auf und sind weniger steif.
In einer ähnlichen Weise müssen extrudierte Fahrzeugkomponenten eine gleichmäßige Wanddicke und daher eine gleichmäßige Festigkeit und Steifigkeit entlang der Stangenpressrichtung aufweisen, sodass die Wanddicke auf den Anforderungen des am höchsten belasteten Bereichs der Komponente basiert.
KURZE BESCHREIBUNG
Gemäß einem Aspekt umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Fahrzeugkomponente ein Bereitstellen eines ein erstes Metall umfassenden Metallrohlings und einer ein zweites Metall umfassenden metallischen Verstärkung. Das Verfahren umfasst ein Ultraschallschweißen der Verstärkung mit dem Metallrohling, um einen Verbundmaterialrohling bereitzustellen, und ein Verformen des Verbundmaterialrohlings, um die Fahrzeugkomponente zu formen. Die Verstärkung umfasst einen Stapel aus einer oder mehreren Metallschichten. Wenn die Verstärkung zwei oder mehr Metallschichten umfasst, sind die zwei oder mehr Metallschichten mittels Ultraschall miteinander verschweißt. In einem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das zweite Metall von dem ersten Metall. Das zweite Metall kann ein getrennt verstärktes Metall-Matrix-Verbundmaterial sein.
In einem anderen Aspekt umfasst ein Fahrzeug einen gestanzten Verbundmaterialrohling. Der gestanzte Verbundmaterialrohling umfasst vor einem Stanzen einen im Wesentlichen flachen Metallrohling, welcher mittels Ultraschall mit einer metallischen Verstärkung verschweißt ist. Der Metallrohling umfasst ein erstes Metall und die Verstärkung umfasst ein zweites Metall. Der gestanzte Verbundmaterialrohling ist konturiert. Die Verstärkung umfasst einen Stapel aus einer oder mehreren Metallschichten. Wenn die Verstärkung zwei oder mehr Metallschichten umfasst, sind die zwei oder mehr Metallschichten mittels Ultraschall miteinander verschweißt. In einem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das zweite Metall von dem ersten Metall. Das zweite Metall kann ein getrennt verstärktes Metall-Matrix-Verbundmaterial sein.
Figurenliste

1A ist eine schematische Draufsicht eines Verbundmaterialrohlings bevor dieser einem Formgebungsvorgang in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand unterzogen wurde.
1B ist eine schematische Draufsicht einer Fahrzeugkomponente, welche geformt ist, indem der Verbundmaterialrohling von 1 einem Formgebungsvorgang in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand unterzogen wurde.
2A ist eine entlang der Linie 2A-2A erstellte Querschnittsansicht des Verbundmaterialrohlings von 1A.
2B ist eine entlang der Linie 2B-2B erstellte Querschnittsansicht der Fahrzeugkomponente von 1B.
3A ist eine entlang der Linie 3A-3A erstellte alternative Querschnittsansicht des Verbundmaterialrohlings von 1A.
3B ist eine entlang der Linie 3B-3B erstellte alternative Querschnittsansicht der Fahrzeugkomponente von 1B.
4A ist eine entlang der Linie 4A-4A erstellte Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des Verbundmaterialrohlings von 2A.
4B ist eine entlang der Linie 4B-4B erstellte Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der Fahrzeugkomponente von 2B.
5A ist eine entlang der Linie 5A-5A erstellte Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des Verbundmaterialrohlings von 3A.
5B ist eine entlang der Linie 5B-5B erstellte Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der Fahrzeugkomponente von 3B.
6A ist eine entlang der Linie 6A-6A erstellte Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Verbundmaterialrohlings von 2A.
6B ist eine entlang der Linie 6B-6B erstellte Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Fahrzeugkomponente von 2B.
7A ist eine entlang der Linie 7A-7A erstellte Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Verbundmaterialrohlings von 3A.
7B ist eine entlang der Linie 7B-7B erstellte Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Fahrzeugkomponente von 3B.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine Fahrzeugkomponente und verwandte Methoden werden bereitgestellt, welche eine Mehrmaterial-Fahrzeugkomponente mit räumlich variierenden Materialeigenschaften umfassen, welche eine verringerte Masse verwirklichen und Gesamtanforderungen für die Fahrzeugkomponente in Bezug auf eine Festigkeit, eine Steifigkeit und eine Energieabsorption erfüllen. Die vorliegende Mehrmateriallösung befasst sich mit in dem gegenwärtigen Automobilherstellungsprozess vorliegenden Barrieren in Bezug auf Formgebung, Beständigkeit (Positionsstabilität während des Herstellungsprozesses), Zusammenfügung/Verbindung und Wärmeausdehnung. In diesem Zusammenhang ist eine räumliche Variation von verschiedenen Materialeigenschaften innerhalb der geformten Komponente nur grob möglich mit einer konventionellen Herstellungstechnologie.
Der vorliegende Gegenstand befasst sich mit diesen Angelegenheiten und ermöglicht die Verstärkung eines Metallrohlings mit metallischen Verstärkungen und/oder Faserverstärkungen, welche Material umfassen, welches dem Metallrohling gleich ist oder diesem ungleich ist. Die Verstärkungen werden getrennt an dem Metallrohling vor Formgebungsvorgängen befestigt, welche zum Herstellen einer geformten Fahrzeugkomponente den Metallrohling biegen und auf andere Weise verformen. Die an dem Metallrohling befestigten Verstärkungen dienen zum Verstärken der geformten Fahrzeugkomponente. Wie hierin verwendet, bedeuten „verstärken“ und verwandte Begriffe Mittel zum Erhöhen einer oder mehrerer Messgrößen zur Festigkeit, Steifigkeit, Energieabsorption und Ermüdungsfestigkeit der geformten Fahrzeugkomponente im Vergleich zu einer ähnlichen Fahrzeugkomponente, welche aus dem Metallrohling geformt ist, jedoch die Verstärkungen nicht umfasst. Die gegenwärtigen Verfahren erzeugen eine geformte Fahrzeugkomponente mit einer Verstärkung in gewünschten Positionen an der Komponente, welche eine Fahrzeugkomponente bereitstellt, welche fester ist als eine, welche unter Verwendung von lediglich Blechmaterial gefertigt ist. Der Prozess ermöglicht es, dass ein Material mit einer dünneren Stärke als der Metallrohling verwendet wird, was in einer entsprechenden Gewichtsverringerung resultiert, wobei die geformte Fahrzeugkomponente dennoch die geforderten Performancecharakteristika beibehält, als wäre sie aus einem gleichmäßig dickeren Blechmaterial gefertigt. Die vorliegenden Verfahren sind von Vorteil, weil Metallrohlinge mit geringerer Stärke und Materialien mit geringerer Festigkeit leichter zu formen sind als Metallrohlinge mit dickerer Stärke, wodurch geringere Herstellungskosten ermöglicht werden.
Der vorliegende Gegenstand ermöglicht eine leichtgewichtige Konstruktion, eine bessere Performance (z.B. Festigkeit, Steifigkeit, Energieabsorption und Ermüdungsfestigkeit) als ein homogenes Blechmaterial, maßgenaue räumlich variable Eigenschaften, eine robustere Befestigung von Verstärkungen an dem Metallrohling, eine verringerte Teileanzahl und verringerte Herstellungskosten, indem Rohlinge mit ultrahoher Festigkeit, wärmegeformte Rohlinge und maßgenau geschweißte/maßgenau gerollte Rohlinge gemieden werden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird einem Metallrohling oder einem Stangenpressrohling eine Verstärkung vor dem Formgebungsprozess hinzugefügt. Der Metallrohling kann ein im Wesentlichen flaches Blechmetallmaterial oder ein Stangenpressmetall umfassen. Der Metallrohling kann ein erstes Metall umfassen oder aus einem ersten Metall bestehen. Das erste Metall ist insbesondere nicht beschränkend und kann Aluminium oder eine auf Aluminium basierende Legierung umfassen. Andere Metalle und Metalllegierungen können verwendet werden.
Die Verstärkung kann ein zweites Metall umfassen oder aus einem zweiten Metall bestehen. Das zweite Metall kann identisch zu dem ersten Metall sein oder sich von diesem unterscheiden. Wenn sich das erste Metall unterscheidet, kann das zweite Metall wenigstens eines aus stärker, steifer, eine höhere Energieabsorption aufweisend und eine höhere Ermüdungssteifigkeit aufweisend als das erste Metall sein. Das zweite Metall ist insbesondere nicht beschränkend und kann Stahl oder eine auf Stahl basierende Legierung oder ein auf Stahl basierendes Verbundmaterial umfassen. Wie beschrieben, kann die Verstärkung aus dem gleichen Material wie der Metallrohling bestehen.
Die Verstärkung kann dem Metallrohling über ein Ultraschall-Additiv-Herstellungsverfahren (UAM) hinzugefügt werden. UAM ist ein kontinuierlicher Fest-Zustand-(z.B. kein Schmelzen)-Additiv-Metallschweiß-Prozess, welcher vollständig dichte, lückenlose dreidimensionale Teile bereitstellt. In dem UAM-Prozess kann eine Ultraschallschweißeinrichtung verwendet werden, welche eine Sonotrode (d.h. ein Horn) umfasst, welches durch einen oder mehrere piezoelektrische Wandler angetrieben wird, um Ultraschallvibrationen unter einer Druckkraft an ein zu verbindendendes Metallteil weiterzugeben. Die Sonotrode wird mit einer Vibrationsfrequenz von etwa 20 kHz (Nennwert) betrieben, welche quer zu dem Metallteil ist, um eine plastische Verformung zwischen dem Metallteil und dem Material, an welches es geschweißt wird, zu erzeugen. Wenn zwei Metallteile mittels Ultraschall verschweißt werden, verursachen durch die Sonotrode auf das Werkstück zusammen mit einer statischen Druckkraft weitergegebene Vibrationen eine zwischen den zwei Metallteilen zu bildende metallurgische Verbindung. Prozesstemperaturen sind gering, typischerweise unterhalb von 150°C und verhindern somit die Ausbildung von spröden Intermetallen, verhindern somit eine Änderung der Mikrostruktur der Metalle und verhindern somit eine wärmeinduzierte Formänderung oder eine Eigenschaftsverschlechterung der Metalle.
Das Ultraschall-Additiv-Herstellungsverfahren ist zum Verbinden der Verstärkung mit dem Metallrohling nützlich, da es ein Niedrigtemperaturprozess ist, das bedeutet, es wird den Effekt von vorherigen Wärmebehandlungen oder der Mikrostruktur des Metallrohlings im Meso- oder Makro-Maßstab nicht verändern und ist dazu in der Lage, unterschiedliche Metallmaterialien ohne eine Ausbildung von ungünstigen intermetallischen Komponenten zu verbinden. Zweitens, wie hierin detaillierter beschrieben, erzeugt UAM eine kontinuierliche hermetische Bindung, d.h. beliebige sekundäre Verstärkungsmaterialien können von der äußeren Umgebung isoliert werden, wodurch Korrosion oder ein Eindringen von Verunreinigungen, wie zum Beispiel ein Elektrolyt, vermieden werden.
Wie im Detail beschrieben werden wird, kann UAM zum Verbinden ungleicher Materialien (z.B. unterschiedlicher Materialien) verwendet werden und ermöglicht es UAM, dass eingebettete Fasern innerhalb der Metalle verbunden werden. Die Verstärkung ist an dem Metallrohling in solch einer Weise angeordnet, dass nach einem Formen die Verstärkung in Schlüsselgebieten/-bereichen der gebildeten Komponente zum Verbessern von Eigenschaften, wie einer erhöhten Festigkeit, einer erhöhten Steifigkeit oder verbesserter Absorptionseigenschaften, positioniert ist.
Das Material der Verstärkung kann das gleiche wie das des Metallrohlings sein oder sich von diesem unterscheiden. Die Verstärkung kann ein homogenes Material, wie ein Stahl, sein und sie kann einen Stapel aus einer oder mehreren Metallschichten umfassen, welche mittels UAM miteinander verschweißt sind. Die Verstärkung kann ein getrennt verstärktes Metall-Matrix-Verbundmaterial (DRx) sein; oder sie kann eines von diesen als eine primäre Verstärkung umfassen und zusätzlich eine zweite Verstärkung umfassen. Die zweite Verstärkung kann Verstärkungsfasern, Taue, Stränge, Drähte, Kabel, Netze, Stoffe und/oder Schleier umfassen, wobei der Verbund von diesen insbesondere nicht beschränkend ist und ausgewählt sein kann, um eine besondere Performancecharakteristik der finalen Fahrzeugkomponente wie gewünscht zu modifizieren. Wie hierin verwendet, ist eine Faser ein einziges längliches Stück eines gegebenen Materials; ein Tau ein aufgedrehtes Bündel von Fasern; ein Strang ein verdrehtes Bündel von Fasern; Netze und Stoffe können Fasern, Taue und Stränge umfassen; Schleier sind nicht-gewebte Matten oder im Wesentlichen zufällig platzierte Fasern. Die Verstärkungsfasern können zum Beispiel hochfeste Stahldrähte, Titanfasern, Carbonfasern, Keramikfasern, wie Siliziumkarbidfasern, Poly(p-phenylen-2,6-benzobisoxazol) (PBO)-Fasern, wie zum Beispiel Zylon®, Ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE)-Fasern, wie Dyneema®, usw., sein, um eine Festigkeit und eine Steifigkeit zu erhöhen. Die zweite Verstärkung kann zwischen dem Metallrohling und der primären Verstärkung umfasst sein.
Nun unter Bezugnahme auf Figuren stellt 1A ein Verbundmaterialrohling 2 dar, bevor dieser einem Formgebungsvorgang unterzogen wurde, und stellt 1B eine verstärkte Fahrzeugkomponente 4 dar, welche hergestellt wurde, indem der Verbundmaterialrohling 2 einem Formgebungsvorgang unterzogen wurde. In einem nicht-beschränkenden Beispiel kann der Formgebungsvorgang ein Kaltprägen des Verbundmaterialrohlings 2 umfassen, sodass die verstärkte Fahrzeugkomponente 4 aus einem Verbundmaterialrohling 2 besteht, nachdem dieser kaltgeprägt wurde. Der Verbundmaterialrohling 2 kann im Wesentlichen flach sein und umfasst einen Ganzstoff-Metallrohling 6 und metallische Verstärkungen 8, welche mittels Ultraschall mit dem Metallrohling 6 verschweißt sind. Wie dargestellt, sind drei Verstärkungen 8 längsweise entlang einer Länge des Metallrohlings 6 angeordnet und überdecken nicht den gesamten Metallrohling 6. Jedoch ist der vorliegende Gegenstand nicht auf diese besondere Anordnung von Verstärkungen 8 an dem Metallrohling 6 begrenzt, und es ist so zu verstehen, dass der Verbundmaterialrohling 2 andere Anordnungen, wie für eine spezielle Anwendung gewünscht, umfassen kann, zum Beispiel der Verbundmaterialrohling 2, welcher ein oder mehrere Verstärkungen 8 umfasst, welche sich in Ausrichtungen von denen in 1A dargestellten unterscheiden. Die Verstärkungen 8 können alternative Anordnungen an dem Metallrohling 6 übernehmen, umfassend solche mit überlappenden Verstärkungen 8, um, wie gewünscht, eine bestimmte Charakteristik der geformten Fahrzeugkomponente 4 zu verbessern. Ferner kann die Verstärkung 8 mehr oder weniger des Metallrohlings 6 abdecken, umfassend eine Abdeckung des gesamten Materialrohlings 6. In einem nicht-beschränkenden Beispiel kann der Verbundmaterialrohling 2 eine Mehrzahl von Verstärkungen 8 umfassen, welche in einem Schraffur- oder Spinnenwebenmuster angeordnet sind.
In dem Fall, in welchem die Verstärkung 8 ein homogenes Material oder ein DRx ist und die Verstärkung 8 mit dem Metallrohling 6 mittels UAM oder einem anderen möglichen Prozess verbunden ist, ist der Verbundmaterialrohling 2 bereit in einem Formgebungsprozess gebogen oder in anderer Weise verformt zu werden. Der Formgebungsprozess selbst kann eine umfangreiche plastische Verformung oder erhöhte Temperaturen einbeziehen, welche den Bindungsmechanismus eines Ultraschallschweißens erhöhen, und zwar eine plastische Verformung, welche Oberflächenoxide zerbricht, und hohe Spannungen, welche einen nahen Metall-Metall-Kontakt erzeugen, welcher zu einer Festphasenbindung des Verbundmaterialrohlings 2 führt. Nach einem Zusammenfügen kann die Fahrzeugkomponente 4 weiteren nachfolgenden Prozessen unterzogen werden, wie Wärmebehandlung, welche eine Diffusion oder Kornwachstum über die Metallrohling-Verstärkung-Grenze ermöglicht, wodurch ferner eine Festigkeit der Verbindung zwischen ihnen und die Festigkeit der Fahrzeugkomponente 4 insgesamt erhöht werden.
Während Formgebungsprozessen wird der Verbundmaterialrohling 2, welcher im Wesentlichen flach ist, Kräften unterzogen, welche verursachen, dass der Verbundmaterialrohling 2 einer Biegung, einer Streckung oder einer anderen Verformung unterzogen wird, welche Konturen auf den Verbundmaterialrohling 2 weitergeben. Solch ein Formgebungsvorgang kann ein Kaltprägen oder andere Formvorgänge umfassen, welche den Verbundmaterialrohling 2 verformen und dadurch eine konturierte und verstärkte Fahrzeugkomponente 4 erzeugen.
Die in 1 B dargestellte geformte Fahrzeugkomponente 4 ist eine B-Säule 10, welche gewünschte Konturen und eine gewünschte Gestalt für eine Anwendung als eine B-Säule 10 für ein Fahrzeug aufweist. Jedoch ist die Fahrzeugkomponente 4 nicht darauf beschränkt, eine B-Säule 10 zu sein, sondern kann diese ein beliebiges Fahrzeugteil, welches gewünscht ist, umfassen. Als nicht-beschränkende Beispiele kann die Fahrzeugkomponente 4 ein anderes Rahmenelement sein, wie zum Beispiel eine A-Säule, oder ein Fahrzeugverschlussaußenpaneel, wie zum Beispiel ein Tür- oder ein Motorhaubenaußenpaneel. In einem Ausführungsbeispiel, in welchem die Fahrzeugkomponente ein Türpaneel ist, kann das Türpaneel leichter sein, weil eine dünnere Stärke von Stahl oder Aluminium als der Metallrohling verwendet ist. Herkömmlicherweise kann jedoch die Eindrückfestigkeit eines Türpaneels mit dünnerer Stärke aufgrund einer Verringerung der Steifigkeit nicht akzeptierbar werden. Diese Bedenken werden durch strategisches platzieren von Verstärkungen 8 an dem Metallrohling 6 adressiert, wobei eine Steifigkeit lokal erhöht werden kann, wodurch es dem Paneel ermöglicht wird, die erforderliche Eindrückfestigkeit aufzuweisen. Auf diese Weise kann der Metallrohling 6 in einer Fahrzeugkomponente 4, welche als ein Verschlussaußenpaneel verwendet wird, eine dünnere Stärke als ein herkömmliches Paneel aufweisen, wobei dennoch die Verstärkungen 8 ein Eindrücken des verstärkten Paneels verhindern, wenn dieses einem Druck unterzogen wird. Die verstärkte Fahrzeugkomponente 4, welche als ein Verschlussaußenpaneel wirkt, kann daher leichter und weniger kostenintensiv hergestellt werden als ein herkömmliches Türpaneel.
Wie schematisch zwischen 1A und 1B dargestellt, sind die Verstärkungen 8 angeordnet und mittels UAM an zuvor durch eine Formanalyse identifizierten vorbestimmten Positionen an dem Metallrohling 6 verschweißt, um verstärkte Bereiche 12 an gewünschten Positionen an der geformten Fahrzeugkomponente 4 bereitzustellen. Gebiete an dem Verbundmaterialrohling 2, welche keine Verstärkung 8 umfassen, sind nicht-verstärkte Bereiche 14 an der Fahrzeugkomponente 4 nach dem Formgebungsprozess. Die Anordnung der verstärkten Bereiche 12 und nicht-verstärkten Bereiche 14 an der geformten Fahrzeugkomponente 4 entsprechen der Anordnung der Verstärkungen 8 an dem Verbundmaterialrohling 2 und können auch bis zu einem bestimmten Grad mit dem zum Verformen des Verbundmaterialrohlings 2 verwendeten Formgebungsprozess übereinstimmen. Eine durch die verstärkten Bereiche 12 bereitgestellte Verstärkung kann helfen, wenigstens eines aus einer Festigkeit, einer Steifigkeit, einer Energieabsorption und einer Ermüdungsfestigkeit an bestimmten Positionen an der geformten Fahrzeugkomponente im Vergleich zu einer ähnlichen Fahrzeugkomponente zu erhöhen, welche aus dem Metallrohling 6 geformt ist, jedoch die Verstärkungen 8 nicht umfasst. Es ist zu begrüßen, dass die Fahrzeugkomponente 4 eine unterschiedliche Anordnung und Anzahl von verstärkten Bereichen 12 und nicht-verstärkten Bereichen 14 umfasst, als die in 1B dargestellte. In einem nicht-beschränkenden Beispiel kann die Fahrzeugkomponente 4 keine nicht-verstärkten Bereiche aufweisen und nur verstärkte Bereiche 12 umfassen.
Wie in 2A dargestellt, welche eine entlang Linie 2A-2A von 1A erstellte Illustration ist, können die Verstärkungen 8 an einer Oberfläche 16 des Metallrohlings 6 angeordnet sein und mittels Ultraschall mit der Oberfläche 16 des Metallrohlings 6 verschweißt sein. In einem alternativen in 3A dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verstärkungen 8 in einer vorgeformten Vertiefung 18 in der Oberfläche 16 des Metallrohlings 6 angeordnet und mittels Ultraschall mit der Vertiefung 18 in dem Metallrohling 6 verschweißt. Der vorliegende Gegenstand umfasst Verstärkungen 8, welche an der Oberfläche 16 angeordnet sind, kann aber auch Verstärkungen 8 umfassen, welche an der Seite des Metallrohlings 6, gegenüber von Oberfläche 16, oder an beiden Seiten des Metallrohlings 6, wie gewünscht, angeordnet sind. Die vorgeformte Vertiefung 18 kann über subtraktive Herstellungsprozesse (z.B. Fräsen, Schleifen, Bohren usw.) oder durch einen initialen lokalen Formgebungsprozess (z.B. durch ein Stangenpressen, Stanzen, Sicken, usw.) geformt sein.
Wie in 3A dargestellt, ist die Vertiefung 18 derart eingerichtet, dass eine Oberfläche 20 der Verstärkung 8 bündig mit der Oberfläche 16 des Metallrohlings 6 liegt. Dies ist jedoch nicht erforderlich und die Vertiefung 18 kann unterschiedlich konfiguriert sein, sodass die Verstärkung 8 immernoch teilweise innerhalb der Vertiefung 18 sitzt, jedoch die Oberfläche 20 der Verstärkung 8 nicht bündig mit der Oberfläche 16 des Metallrohlings 6 liegt, sondern stattdessen die Verstärkung 8 nach oben zu der Oberfläche 16 des Metallrohlings 6 bis zu einem bestimmten Grad hervorsteht. Alternativ kann die Oberfläche der metallischen Verstärkung 8 geringfügig unterhalb der Oberfläche 16 zurückbleiben, um eine Verdünnung des Materialrohlings 6 während des Formgebungsprozesses zu berücksichtigen.
Indem die Vertiefung 18 in dem Metallrohling 6 umfasst ist, ist die verschweißte Schnittstelle 22 zwischen dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 innerhalb der Masse des Metallrohlings 6 (3A und 3B) vertieft, anstelle der geschweißten Schnittstelle 22, welche an der Oberfläche 16 des Metallrohlings 6 (2A und 2B) positioniert ist. Wenn die Schnittstelle 22 innerhalb der Masse des Metallrohlings 6 (3A und 3B) vertieft ist, kann somit die Schnittstelle 22 vor Elektrolyten (wie Wasser, welches eine galvanische Korrosion zwischen zwei ungleichen Materialien, wie zum Beispiel einem Aluminium-Metallrohling 6 und einer Stahlverstärkung 8, umfasst) geschützt sein, insbesondere wenn ein Abdichtmittel appliziert ist, um Wasser vor einem Eindringen in die Verbindung zu hindern oder um Wasser an einem Kontaktieren eines oder beider aus dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 zu verhindern. Da die Schnittstelle 22 vertieft ist und weil ein Ultraschallschweißen eine hermetische Abdichtung bereitstellt, können in der Umgebung vorhandene Elektrolyte an einem Erreichen der geschweißten Schnittstelle 22 und einem Verursachen von galvanischen Reaktionen an der Schnittstelle 22 gehindert werden. Wenn die Schnittstelle 22 nicht vertieft ist (2A und 2B), kann die Fahrzeugkomponente ein (nicht dargestelltes) Abdichtmittel umfassen, um Elektrolyte an einem Erreichen der geschweißten Schnittstelle 22 oder von einem gleichzeitigen kontaktieren des Metallrohlings 6 und der Verstärkung 8 gehindert werden.
Wo die Verstärkung 8 aus einem Material besteht, welches sich von dem Metallrohling 6 unterscheidet, kann die Verstärkung 8 eingekapselt und dadurch von umgebenden Elektrolyten (z.B. Wasser) unter Verwendung einer Deckbeschichtung oder einer die gesamte Verstärkung 8 abdeckenden Schicht isoliert sein. Die Deckbeschichtung oder Schicht kann aus einem Material bestehen, welches mit dem Metallrohling 6 galvanisch kompatibel ist, beispielsweise das gleiche Material, wie in dem Metallrohling 6 verwendet, oder ein abdichtendes Material, welches nicht galvanisch reaktiv mit dem Metallrohling 6 ist. Die Deckbeschichtung oder Schicht kann, wenn diese aus dem gleichen Material wie für den Metallrohling 6 verwendet wurde, besteht, mittels Ultraschall über die Verstärkung geschweißt sein, um die Verstärkung 8 hermetisch einzukapseln und somit das ungleiche Material der Verstärkung 8 und des Metallrohlings 6 davor zu schützen, Elektrolyten ausgesetzt zu sein.
Wie zwischen 2A und 2B und zwischen 3A und 3B dargestellt, verformt der Formgebungsvorgang den Verbundmaterialrohling 2 von, zum Beispiel einem im Wesentlichen flach (2A und 3A) sein, zu einem, welcher Konturen aufweist, wodurch die verstärkte Fahrzeugkomponente 4 (2B und 3B) geformt wird. Wie dargestellt, kann die verstärkte Fahrzeugkomponente 4 verstärkte Bereiche 12 und nicht-verstärkte Bereiche 14 umfassen. Es ist zu verstehen, dass der Verbundmaterialrohling 2 verschiedenen und nicht-gleichmäßigen Biegekräften während der Formvorgänge unterzogen wird. Zum Beispiel kann der in 2A und 3A gezeigte obere Abschnitt des Verbundmaterialrohlings 2 gedehnt werden und der untere Abschnitt kann komprimiert werden, um die nach oben abgelenkte Biegung in der in 2B bzw. 3B gezeigten Fahrzeugkomponente 4 zu erzeugen. Der Verbundmaterialrohling 2 kann während Formgebungsvorgängen anderen Kräften unterzogen werden. Es ist zu begrüßen, dass die Verstärkungen 8 an Abschnitten des Metallrohlings 6 angeordnet sein können, welche im Wesentlichen während eines Formgebungsprozesses verformt werden, welche im Wesentlichen nicht verformt werden (zum Beispiel die flachen Bereiche von 2B und 3B) oder einer Kombination davon (zum Beispiel eine Spannung zwischen Bereichen, welche im Wesentlichen verformt sind, und solchen, welche im Wesentlichen nicht verformt sind, wie in 2B und 3B gezeigt).
In verschiedenen Ausführungsbeispielen können Verstärkungsfasern 24 als eine sekundäre Verstärkung verwendet werden, um der Fahrzeugkomponente 4 zusätzlich zu der durch die metallische Verstärkung 8 bereitgestellten Verstärkung, welche als eine primäre Verstärkung wirkt, eine zusätzliche Verstärkung bereitzustellen. Durch „primär“ und „sekundär“ sind solche Terme nicht gemeint, die eine relative Menge oder ein Level einer bereitgestellten Verstärkung anzeigen, jedoch werden diese verwendet, um zwischen der metallischen Verstärkung 8 und den Verstärkungsfasern 24 zu unterscheiden.
Die Verstärkung 8 umfasst eine oder mehrere Metallschichten. In einem Ausführungsbeispiel (4 und 5) umfasst die Verstärkung 8 nur eine Metallschicht. In diesem Ausführungsbeispiel und, wie in 4 und 5 dargestellt, sind die Verstärkungsfasern 24 (d.h. sekundäre Verstärkung) zwischen dem Metallrohling 6 und der metallischen Verstärkung 8 (d.h. primäre Verstärkung) angeordnet, welche mittels Ultraschall mit dem Metallrohling 6 verschweißt ist.
In einem anderen Ausführungsbeispiel (6 und 7) umfasst die Verstärkung 8 einen Stapel aus zwei oder mehr Metallschichten 32, 34, welche mittels Ultraschall miteinander verschweißt sind. Wie in 6 und 7 dargestellt, sind die Verstärkungsfasern 24 zwischen den Schichten 32, 34 der metallischen Verstärkung 8 angeordnet und durch diese eingekapselt. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Verstärkung mehrere Schichten verschiedener Materialien oder des gleichen Materials umfassen. Mittels eines Einbeziehens mehrere Schichten in die Verstärkung 8 kann dieses Ausführungsbeispiel eine erhöhte Schweißkompatibilität mit dem Metallrohling 6, eine verbesserte Korrosionsverringerung zwischen dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8, eine verbesserte Wärmeausdehnung, welche zwischen dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 übereinstimmt, bereitstellen, und der geformten Fahrzeugkomponente 4 eine spezifische Materialplatzierung für einen optimalen strukturellen Vorteil ermöglichen. In einem Aspekt umfasst die Verstärkung 8 eine erste Stahlschicht, eine zweite Aluminiumschicht und eine dritte Metall-Matrix-Verbundmaterial (MMC)-Schicht (z.B. „Metpreg“, welche von Touchstone Research Laboratory Ltd. von Triadelphia, WV erhältlich ist, und aus Aluminium, verstärkt mit keramischen Fasern mit hoher Festigkeit und hoher Steifigkeit, hergestellt ist), eine vierte Aluminiumschicht und eine fünfte MMC-Schicht. In einem anderen Aspekt kann die Verstärkung 8 eine erste Stahlschicht und eine Serie von wechselnden Schichten aus Aluminium und Titan, z.B. vier Schichten von Aluminium und vier Schichten von Titan, umfassen. In noch einem anderen Aspekt kann die Verstärkung 8 eine Aluminiumschicht und eine Titanschicht umfassen. Die Verstärkung 8 ist nicht auf diese Aspekte beschränkt und kann andere Anordnungen und Anzahlen von Schichten umfassen. Die verschiedenen Schichten der Verstärkung 8 können mittels Ultraschallschweißen jeder der Schichten der Verstärkung 8 einer nach dem anderen auf den Metallrohling 6 oder durch ein erstes Schweißen aller der Schichten der Verstärkung 8 zusammen und dann einem Ultraschallschweißen der Verstärkung 8 mit dem Metallrohling 6 auf den Metallrohling 6 appliziert werden. Die Verstärkungsfasern 24 können zwischen zwei der Schichten der Verstärkung 8, bevor diese mittels Ultraschall miteinander verschweißt werden, oder zwischen der Verstärkung 8 und dem Metallrohling 6, bevor sie mittels Ultraschall miteinander verschweißt werden, angeordnet werden.
In 4, 5, 6 und 7 sind die Verstärkungsfasern 24 in Querschnittsansicht gezeigt. Es ist zu begrüßen, dass die Verstärkungsfasern 24 eine Länge aufweisen, welche parallel zu einer Länge der metallischen Verstärkung 8 verläuft, und vollständig durch die metallische Verstärkung 8 abgedeckt sind, welche zum Schützen der Fasern 24 vor Abrasion und einem der Umwelt ausgesetzt Sein während einer Verwendung der Fahrzeugkomponente 4 wirken kann. Jedoch ist zu verstehen, dass die Verstärkungsfasern 24 unterschiedlich angeordnet sein können, beispielsweise in verschiedene Richtungen in Bezug auf die Verstärkung 8 ausgerichtet sind, und nicht vollständig durch die Verstärkung 8 abgedeckt sein können.
Die Fasern 24 können in einem vorgeformten Kanal oder einer vorgeformten Nut 26 in dem Metallrohling 6 (4A und 5A) oder in einer der Metallschichten (z.B. der ersten Metallschicht 32) der Verstärkungen 8 (6A und 7A) angeordnet sein, bevor die Verstärkungen 8 mittels Ultraschall mit dem Metallrohling 6 verschweißt werden. Das heißt, die Nuten 26 sind in dem Metallrohling 6 oder in einer der Metallschichten (z.B. der ersten Metallschicht 32) der Verstärkung 8 vorhanden, bevor die Fasern 24 in den Nuten 26 angeordnet werden und bevor die Verstärkungen 8 mittels Ultraschall mit dem Metallrohling 6 verschweißt werden oder bevor die Metallschichten 32, 34 mittels Ultraschall miteinander verschweißt werden. Wie gezeigt, sind drei Taue von Fasern 24 in den Nuten 26 angeordnet. Jedoch können mehr oder weniger Taue von Fasern 24 und Nuten 26 umfasst sein. Die vorgeformten Nuten 26 können mittels subtraktiver Herstellungsprozesse (z.B. Fräsen, Schleifen, Bohren usw.) oder durch einen initialen lokalen Formgebungsprozess (z.B. durch ein Stangenpressen, Stanzen, Sicken, usw.) geformt werden. Wie dargestellt, sind die Fasern 24 nur etwa über die Hälfte innerhalb der Nuten 26 angeordnet. Jedoch ist zu begrüßen, dass die Fasern 24 mehr oder weniger als zur Hälfte innerhalb der Nuten 26 angeordnet sein können, zum Beispiel in 4 können die Fasern 24 vollständig unterhalb der Oberfläche 16 des Metallrohlings 6 sein.
Wie in 5A gezeigt, sind die Nuten 26 an dem Boden der Vertiefung 18 in dem Metallrohling 6 angeordnet. Als solche sind sowohl die Verstärkungsfasern 24 als auch die Verstärkung 8 in einer in dem Metallrohling 6 vorliegenden vorgeformten Vertiefung 18 angeordnet, wobei nur die Fasern 24 in den Nuten 26 angeordnet sind. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Fasern 24 nicht in vorgeformten Nuten 26 angeordnet. Anstelle, dass die Fasern 24 einfach zwischen dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 angeordnet sein können, können Sie entweder an der Oberfläche 16 des Metallrohlings 6 oder in der Vertiefung 18 in dem Metallrohling 6 oder zwischen den Schichten 32, 34 der Verstärkung 8 angeordnet sein. In einem beliebigen Fall sind der Metallrohling 6 und die Verstärkung 8 oder die Schichten 32, 34 der Verstärkung 8 mittels Ultraschall miteinander mit den dazwischen angeordneten Fasern 24 verschweißt. In Ausführungsbeispielen, welche keine Nuten 26 umfassen, kann ein Ultraschallschweißen Kanäle für die Fasern 24 erzeugen, welche während des Schweißprozesses in dem Metallrohling 6 und/oder der Verstärkung 8 oder in den Schichten 32, 34 der Verstärkung 8 ausgebildet werden. Ultraschallschweißen kann Metall von dem Metallrohling 6 und/oder der Verstärkung 8 veranlassen, in die Taue von Fasern 24 zu imprägnieren oder um diese plastisch herumzufließen.
Wie zwischen 4A und 4B, 5A und 5B, 6A und 6B sowie 7A und 7B dargestellt, können während einer Verformung des Verbundmaterialrohlings 2 die vorgeformten Nuten 26 allmählich um die Verstärkungsfasern 24 herum komprimieren (z.B. drücken, sichern, anliegend Kontaktieren, hineinschmelzen oder herumfließen), um eine mechanische Befestigung zwischen den Verstärkungsfasern 24 und der vorgeformten Nut 26 zu erzeugen, wobei die Nuten 26, welche schematisch in 4A, 5A, 6A und 7A dargestellt sind, jedoch nicht in 4B, 5B, 6B und 7B dargestellt sind, weil sie sich um die Verstärkungsfasern 24 herum komprimiert haben. Eine hohe plastische Verformung während eines Formens kann eine Druckspannung um Verstärkungsfasern 24 herum erzeugen. In diesem Sinne können die Nuten 26 geformt sein, um in Bezug auf die Größe der Taue von Verstärkungsfasern 24 überdimensioniert zu sein, um eine relative Bewegung zwischen den Nuten 26 und den Verstärkungsfasern 24 initial zur ermöglichen. Jedoch können die Nuten 26 allmählich während des Formgebungsprozesses kollabieren, um eine mechanische Verlinkung und eine Reibung basierend auf einer Lastverlagerung zwischen dem Metallrohling 6 und den Verstärkungsfasern 24 in der geformten Fahrzeugkomponente 4 zu erzeugen. In einem Ausführungsbeispiel zieht der Formgebungsprozess die Fasern 24, jedoch nicht über deren Zugfestigkeit, und erzeugt dabei eine bestimmte Menge einer Vorspannung, welche in den Fasern 24 gespeichert wird.
Der Verbundmaterialrohling 2 kann optional ein viskoses Material 28 (z.B. ein Schmiermittel oder ein Kunststoff/Harz) umfassen, welches zwischen den Verstärkungsfasern 24 und wenigstens einem aus dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8, wie in 4A und 5A dargestellt, oder zwischen den Verstärkungsfasern 24 und den Schichten 32, 34 der Verstärkung angeordnet ist, wie in 6A und 7A dargestellt. Das viskose Material kann als ein Teil eines Taus von Verstärkungsfasern 24 umfasst sein, wobei ein Tau von Fasern 24 mit dem viskosen Material 28 imprägniert oder beschichtet ist. Alternativ kann das viskose Material 28 separat von den Verstärkungsfasern 24 appliziert sein. Das viskose Material 28 kann eine Schmierung zwischen den Verstärkungsfasern 24 und wenigstens einem aus dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 während Formgebungsprozessen bereitstellen, sodass die Fasern 24 wenigstens etwas frei sind, um sich relativ zu wenigstens einem aus dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 während eines Formens oder zwischen den Verstärkungsfasern 24 und wenigstens einer der Schichten 32, 34 der Verstärkung 8 zu bewegen, um eine etwas freie Bewegung der Fasern 24 in Bezug auf die Schichten 32, 34 während des Formgebungsprozesses zu ermöglichen.
Die Fasern 24 können allmählich gesichert sein, wenn die Nuten 26 allmählich um diese während eines Formgebungsprozesses komprimieren und die Fasern 24 können durch eine Verformung des Verbundmaterialrohlings 2 gedehnt werden. Zum Beispiel, wie zwischen 2A und 2B gezeigt, wird der obere Abschnitt des Verbundmaterialrohlings 2, welcher Verstärkungsfasern 24 umfassen kann, gedehnt, um die nach oben abgelenkte Biegung in der Fahrzeugkomponente 4 zu erzeugen. Eine Schmierung, welche durch das viskose Material 28 bereitgestellt sein kann, kann es den Verstärkungsfasern 24 ermöglichen, während eines Formgebungsprozesses weniger gesichert zu werden, und kann es daher den Verstärkungsfasern 24 erlauben, nicht gedehnt und über deren Zugfestigkeit gespannt zu werden. Anstelle dessen können die Fasern 24 relativ zu dem verformten Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 gleiten, d.h. in den Nuten 26 „schwimmen/schweben“.
Eine Verwendung des viskosen Materials 28 ist vorteilhaft, da, wenn es nicht bereitgestellt wäre, die Nuten 26 eine mechanische Befestigung an den Verstärkungsfasern 24 während Formgebungsprozessen bilden können und eine Verformung des Verbundmaterialrohlings 2 eine Verformung (d.h. ein Dehnen) der Fasern 24 verursachen kann. Überschreitet eine solche Verformung die Zugfestigkeit der Fasern 24, können die Fasern 24 brechen und daher der Fahrzeugkomponente 4 keinen verstärkenden Effekt bereitstellen. Ein Umfassen des viskosen Materials 28 kann diese Bedenken adressieren, da es eine Schmierung zwischen den Nuten 26 und den Fasern 24 bereitstellen kann, welche eine Bildung einer mechanischen Befestigung zwischen den Fasern 24 und den Nuten 26 während eines Formgebungsprozesses und das damit verbundene Dehnen und ein mögliches Brechen der Fasern 24 verhindert.
In einigen Ausführungsbeispielen weisen die Verstärkungsfasern 24 einen relativ niedrigen Reibungsfaktor auf, sodass ein viskoses Material 28 für eine Schmierung der Fasern 24 und ein Verhindern eines Brechens der Fasern 24 nicht notwendig ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann es wünschenswert sein, eine mechanische Befestigung zwischen den Fasern 24 und den Nuten 26 vor einer Verformung des Verbundmaterialrohlings 2 auszubilden. Es kann wünschenswert sein, wenn eine zuvor aufgebrachte Spannung der Fasern 24 bevorzugt ist. In solch einem Ausführungsbeispiel kann das viskose Material 28 nicht umfasst sein.
Nach einer Verformung kann das viskose Material 28 getrocknet werden oder durch nachgelagerte Prozesse zerfallen, um den Lastübertragungsmechanismus (z.B. mechanische Befestigung) zwischen den Fasern 24 und wenigstens einem aus dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 zu entwickeln. Alternativ kann das viskose Material 28 ein nicht gehärtetes flüssiges Klebematerial sein, welches nach dem Formgebungsprozess Aushärten kann, beispielsweise während eines nachfolgenden Farbaushärtungsprozesses oder in einer zeitabhängigen Reaktion. Wenn ein Wärmeprozess zum Aushärten des Klebstoffs verwendet wird, kann dann der Klebstoff eine Klebeverbindung 30 zwischen den Verstärkungsfasern 24 und wenigstens einem aus dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 ausbilden. In diesem Fall unterstützt die Klebebeschichtung eine Lastübertragung von dem Metallrohling 6 zu der Verstärkung 8. Die geformte Fahrzeugkomponente 4 kann dann als Teil eines Fahrzeugs umfasst sein.
Ein Verfahren eines Herstellens einer Fahrzeugkomponente 4 umfasst ein Bereitstellen eines ein erstes Metall umfassenden Metallrohlings 6 und einer metallischen Verstärkung 8, welche ein zweites Metall umfasst, welches dem ersten Metall gleicht oder sich von diesem unterscheidet. Der Metallrohling 6 und die Verstärkung 8 sind mittels Ultraschall miteinander verschweißt, wodurch ein Verbundmaterialrohling 2 bereitgestellt ist. Der Verbundmaterialrohling 2 wird einem Formgebungsprozess unterzogen, in welchem der Verbundmaterialrohling 2 ausgehend von einer initialen Konfiguration, zum Beispiel im Wesentlichen flach (1A), zu einer nachfolgenden Konfiguration, zum Beispiel konturiert (1B), verformt wird, wodurch die Fahrzeugkomponente 4 geformt wird. Das Verfahren kann auch vor einem Ultraschallschweißen ein Anordnen der Verstärkung 8 an einer vorbestimmten Position relativ zu dem Metallrohling 6 umfassen, beispielsweise nach einer Verformung, wobei die Verstärkung 8 einen Verstärkungsbereich 12 an einer gewünschten Position an der Fahrzeugkomponente 4 bereitstellt. Ein Verformen kann ein Kaltprägen umfassen. Das zweite Metall kann wenigstens eines aus fester, steifer, eine größere Energieabsorption aufweisend, und eine erhöhte Müdigkeitsfestigkeit aufweisend als das erste Metall sein. Zum Beispiel kann das erste Metall ein Aluminium oder eine auf Aluminium basierende Legierung sein und das zweite Metall kann ein Stahl oder eine auf Stahl basierende Legierung sein. Die Verstärkung 8 kann in einer in dem Metallrohling 6 vorhandenen vorgeformten Vertiefung 18 vor dem Ultraschallschweißen derart angeordnet sein, dass die Verstärkung 8 bündig mit der Oberfläche des Metallrohlings 6 ist und eine mittels Ultraschall verschweißte Verbindung/Schnittstelle 22 zwischen dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 vollständig innerhalb der Vertiefung 18 angeordnet ist. Alternativ kann die Verstärkung 8 an der Oberfläche 16 des Metallrohlings 6 und nicht in einer Vertiefung 18 angeordnet sein. Ein Ultraschallschweißen kann unter Verwendung eines Ultraschallschweißgerätes, umfassend eine Sonotrode, welche eine gesamte Oberfläche 20 der Verstärkung 8 oder nur einen Abschnitt der Oberfläche 20 der Verstärkung 8 kontaktiert. Das Verfahren kann auch ein Bereitstellen von Verstärkungsfasern 24 und vor einem Ultraschallschweißen ein Anordnen der Verstärkungsfasern 24 zwischen dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 (4 und 5) oder zwischen Schichten 32, 34 der Verstärkung 8 (6 und 7) umfassen. Die Verstärkungsfasern 24 können in einer vorgeformten Nut 26 vor einem Ultraschallschweißen angeordnet sein.
Der vorliegende Gegenstand umfasst auch ein Herstellungsverfahren eines Fahrzeugs, umfassend die Schritte eines Bereitstellens einer verstärkten Fahrzeugkomponente 4, wie hierin beschrieben, und eines Zusammenbauens eines Fahrzeugs, welches die verstärkte Fahrzeugkomponente 4 umfasst.
Der vorliegende Gegenstand stellt ein Fahrzeug bereit, welches ein gestanztes Verbundmaterial, d.h. die verstärkte Fahrzeugkomponente 4, umfasst. Das gestanzte Verbundmaterialteil umfasst vor einem Stanzen einen im Wesentlichen flachen Metallrohling 6, welcher mittels Ultraschall mit einer metallischen Verstärkung 8 verschweißt ist. Der Metallrohling 6 umfasst ein erstes Metall und die Verstärkung 8 umfasst ein zweites Metall, welches dem ersten Metall gleicht oder sich von diesem unterscheidet. Das gestanzte Verbundmaterialteil ist konturiert; das heißt das gestanzte Verbundmaterialteil ist im Wesentlichen nicht flach. Der gestanzte Verbundmaterialteil kann ferner Verstärkungsfasern 24 umfassen, welche zwischen dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 oder zwischen Schichten 32, 34 der Verstärkung 8 angeordnet sind. Der gestanzte Verbundmaterialteil kann ein gestanzter und erwärmter Verbundmaterialteil sein, welcher eine Klebeverbindung 30 zwischen den Verstärkungsfasern 24 und wenigstens einem aus dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 umfasst. Der gestanzte und erwärmte Verbundmaterialteil kann vor dem Erwärmen ein viskoses Material 28 umfassen, welches zwischen den Verstärkungsfasern 24 und wenigstens einem aus dem Metallrohling 6 und der Verstärkung 8 angeordnet ist. Während eines Stanzens kann das viskose Material 28 den Verstärkungsfasern 24 eine Schmierung bereitstellen, sodass die Verstärkungsfasern 24 nicht über ihre Zugfestigkeit hinaus gezogen werden. Nach einem Erwärmen oder einem Zeitablauf härtet das viskose Material 28 aus, um die Klebeverbindung 30 auszubilden. Die Verstärkungsfasern 24 und die Verstärkung 8 können in einer vorgeformten Vertiefung 18, welche in dem Metallrohling 6 vorliegt, angeordnet sein.
In einem nicht-beschränkenden beispielhaften Verfahren in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand wird ein Metallblechmaterial als ein Metallrohling 6 verwendet und wird das Metallblechmaterial in Schlüsselbereichen verstärkt, welche zuvor mittels einer Formanalyse identifiziert wurden. Ein Tau von Fasern 24 mit nicht ausgehärtetem Kunststoff/Harz (d.h. viskoses Material 28) ist zwischen dem Metallrohling 6 und einer Verstärkung 8 oder zwischen Schichten 32, 34 der Verstärkung 8 eingekapselt. Die Verstärkung 8 umfasst einen Stapel aus einer oder mehreren Metallschichten und umfasst ein sich von dem Metallrohling 6 unterscheidendes oder ein diesem gleiches Material. Die Verstärkung 8 ist mittels eines Festphasen-Ultraschall-Schweißprozesses mit dem Metallrohling 6 verschweißt. Dieser Verbundmaterialrohling 2 wird nachfolgend in einem Stanzprozess geformt, welcher der Fahrzeugkomponente 4 eine spezifische Form verleiht. Während des Formens wirkt der Kunststoff/Harz in den Tauen als ein Schmierstoff, welcher es den Fasern 24 ermöglicht, zu gleiten, anstatt bis zu deren Belastungsgrenze gedehnt zu werden. Einige Fasern 24 sind in Bereichen platziert, welche nicht so viel Dehnung in der Faserlängsrichtung darstellen. Eine Verformung des Metallblechmaterials während eines Formens veranlasst Nuten 26, in welchen die Fasern 24 positioniert sind, sich fortschreitend zu verengen und fortschreitend eine feste mechanische Schnittstelle zwischen den Fasern 24 und den Nuten 26 zu erzeugen. Die geformte Fahrzeugkomponente 4 wird dann an anderen Komponenten befestigt, um einen Auto-Rohbau zu erzeugen, welcher dann einen Lackierervorgang durchläuft, welcher eine oder mehrere Wärmebehandlungen umfasst, um Korrosionsschutz- und Lackbeschichtungen auszuhärten. Während der Wärmebehandlungen oder einfach nach dem Zeitablauf härtet der Kunststoff/das Harz in den Tauen aus, wodurch die individuellen Verstärkungsfasern 24 mit sich selbst und dem Metallblechmaterial und der Verstärkung 8 verklebt werden. In diesem Fall macht es die durch die Verstärkung 8 und die Fasern 24 gebotene zusätzliche Festigkeit und Steifigkeit möglich, dass das Metallblechmaterial dünner ist und somit leichtgewichtiger ist als es für einen homogenen gestanzten Teil des gleichen Metallblechmaterials erforderlich wäre.
In einem anderen nicht-beschränkendem Beispiel ist der Metallrohling 6 ein Metallstangenpressteil. Das Stangenpressteil wird gedehnt und in etwa auf die Länge geschnitten in seiner Stangenpressrohlingsform erhalten. Eine Vertiefung 18 wird entweder durch subtraktive Prozesse oder mittels einer Einrichtung der Stangenpressform in den Stangenpressrohling appliziert. Der Zweck der Vertiefung 18 ist es, die Verstärkung 8 aufzunehmen, z.B. um zu ermöglichen, dass die Oberfläche 20 der Verstärkung 8 bündig mit der Oberfläche 16 des Stangenpressteils ist. Ein mit Kunststoff/Harz imprägnierter Tau von Fasern 24 ist in einer Nut 26 zwischen der Verstärkung 8 und dem Stangenpressteil oder zwischen Schichten 32, 34 der Verstärkung eingebettet und die Verstärkung 8 wird dann mittels Ultraschall mit dem Stangenpressteil verschweißt. Das verstärkte Stangenpressteil wird Formgebungsprozessen unterzogen, um es in die erforderliche Gestalt einer Fahrzeugkomponente 4, z.B. eines Automobilstoßfängers, zu biegen. Hier werden die Fasern 24 potentiellen Dehnungen unterzogen, welche durch die geringfügig überdimensionierten Nuten 26 und durch den Kunststoff/das Harz anfänglich gemildert werden, wobei sich am Ende eines Formens die Nuten 26 um die Taue zusammengezogen haben, wodurch sie an ihrem Platz an mehreren Positionen entlang der Länge der Taue gequetscht werden. Diese Fahrzeugkomponente 4 wird einem Auto-Rohbau hinzugefügt und einem Lackiervorgang unterzogen, welcher ein oder mehrere Wärmebehandlungen umfasst, in welchen der Kunststoff/das Harz ausgehärtet wird, wodurch der Integrationsprozess abgeschlossen wird. Die Verstärkung stellt wenigstens eines aus einer zusätzlichen Festigkeit, Steifigkeit und Energieabsorption bereit, um es zu ermöglichen, dass die Gesamtwanddicke des Stangenpressteils reduziert wird, wodurch eine Fahrzeugkomponente mit einem geringeren Gewicht erzeugt wird.
In beiden dieser Beispiele sind zusätzliche Kosteneinsparungen aufgrund der reduzierten Kraft vorhanden, welche zum Verformen von Materialien mit geringerer Stärke während eines Formgebungsprozesses erforderlich ist. Die reduzierte Kraft benötigt nicht nur weniger Energie zum Formen, sondern ermöglicht auch Formsysteme mit geringerer Kapazität, die zu verwenden sind, um Komponenten mit einer gleichen Funktionalität zu erzeugen. Auch stellt eine Verwendung von Metallrohlingen 6 mit dünnerer Stärke eine Einsparung an Kosten für in dem Rohling 6 verwendeten Materialien dar.
Der vorliegende Gegenstand stellt vor den Formgebungsprozessen eingebettete Verstärkungen bereit und verwendet Formgebungsprozesse und/oder nachfolgende Wärmeprozesse und mechanische Prozesse, um die Schnittstelle zwischen den Verstärkungsmaterialien und dem Metallrohling auszubilden. Dies erzeugt eine eigene Klasse von Metall-Matrix-Material für maßgenaue Struktureigenschaften, welche mit anderen Materialien und Herstellungsverfahren nicht verfügbar sind. Die Verstärkungsmaterialien (d.h. Verstärkung 8 und Verstärkungsfasern 24) ermöglichen einen breiteren Eigenschaftsbereich der Fahrzeugkomponente 4, da die vorliegenden Verfahren sich nicht auf Schmelzschweißprozesse verlassen, um Verstärkungen in den Metallrohling zu integrieren. Ferner, im Gegensatz zu Klebstoffen, weist das vorgeschlagene Verfahren einen breiteren akzeptablen Temperaturbereich auf, welcher es den Verstärkungen ermöglicht, eher in dem Herstellungsprozess und in Platzierungsstellen eingebunden zu werden, welche typischerweise nach dem Farbentrocknungsprozess nicht mehr zugänglich sein können. Die vorliegenden Verfahren und zugehörigen Fahrzeugkomponenten stellen eine Gewichtsreduktion durch eine Lokalisierung eines Anstiegs von Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften nur da bereit, wo es gewünscht ist, anstatt über die gesamte Fahrzeugkomponente. Derzeitig ist eine Dickenverringerung geformter Teile durch Schlüsselbereiche beschränkt, welche die höchsten Lasten erfahren. In dem vorliegenden Gegenstand kann eine globale Teiledicke ferner reduziert werden und eine Verstärkung bei Bedarf bei Schlüsselgebieten hinzugefügt werden. In dem vorliegenden Gegenstand wird eine Verstärkung auf einen flachen Metallrohling vor Formgebungsprozessen appliziert, wodurch eine Verringerung der Komplexität eines Applizierens von Verstärkungsmaterial auf einen Körper mit einer komplexen, gekrümmten Oberfläche verringert wird.
Es ist zu begrüßen, dass verschiedene der zuvor offenbarten und andere Merkmale und Funktionen oder Alternativen und Varianten davon in erstrebenswerter Weise in vielen anderen verschiedenen Systemen oder Anwendungen kombiniert werden können. Auch, dass verschiedene derzeitig nicht vorhersehbare oder unvorhersehbare Alternativen, Modifikationen, Varianten oder Verbesserungen davon nachfolgend durch Fachmänner in diesem Gebiet erfolgen können, welche auch als durch die folgenden Ansprüche umfassend anzusehen sind.
Verfahren eines Hinzufügens einer Verstärkung zu einem Metallrohling vor einem Formgebungsprozess. Die Verstärkung ist mittels eines Ultraschall-Additiv-Herstellungsverfahrens (UAM) befestigt, um einen Verbundmaterialrohling zu erzeugen, welcher dann zum Biegen und zum Verformen des Verbundmaterialrohlings einem Formgebungsprozess unterzogen wird, und um eine verstärkte Fahrzeugkomponente zu formen. Die Verstärkung ist derart an dem Metallrohling platziert, dass nachdem diese dem Formgebungsprozess unterzogen wurde, eine Verstärkung in Schlüsselgebieten der geformten Fahrzeugkomponente vorliegt. Die Verstärkung führt zu der finalen geformten Fahrzeugkomponente mit verbesserten Eigenschaften, wie beispielsweise einer geringeren Dichte, erhöhten Festigkeits-, Steifigkeits- oder Energieabsorptionseigenschaften.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Fahrzeugkomponente, umfassend: Bereitstellen eines ein erstes Metall umfassenden Metallrohlings und einer ein zweites Metall umfassenden metallischen Verstärkung, Ultraschallschweißen der Verstärkung mit dem Metallrohling, um einen Verbundmaterialrohling bereitzustellen, und Verformen des Verbundmaterialrohlings, um die Fahrzeugkomponente zu formen; wobei die Verstärkung einen Stapel aus einer oder mehreren Metallschichten umfasst, und wobei, wenn die Verstärkung zwei oder mehr Metallschichten umfasst, die zwei oder mehr Metallschichten mittels Ultraschall miteinander verschweißt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verformen ein Kaltprägen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Ultraschallschweißen die Verstärkung an einer vorbestimmten Position relativ zu dem Metallrohling derart angeordnet wird, dass nach dem Verformen die Verstärkung einen verstärkten Bereich an einer gewünschten Position an der Fahrzeugkomponente bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich das zweite Metall von dem ersten Metall unterscheidet und das zweite Metall wenigstens eines aus fester und steifer als das erste Metall ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das erste Metall ein Aluminium oder eine auf Aluminium basierende Legierung ist und das zweite Metall ein Stahl oder eine auf Stahl basierende Legierung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Ultraschallschweißen die Verstärkung in einer in dem Metallrohling vorhandenen vorgeformten Vertiefung angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine mittels Ultraschall verschweißte Verbindung zwischen dem Metallrohling und der Verstärkung vollständig innerhalb der Vertiefung angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ultraschallschweißen ein Kontaktieren einer Sonotrode an einer gesamten Oberfläche der Verstärkung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ultraschallschweißen ein Kontaktieren einer Sonotrode lediglich eines Abschnitts einer Oberfläche der Verstärkung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Bereitstellen von Verstärkungsfasern und Anordnen der Verstärkungsfasern zwischen dem Metallrohling und der Verstärkung oder zwischen zwei oder mehr Metallschichten der Verstärkung vor dem Ultraschallschweißen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Anordnen ein Platzieren der Verstärkungsfasern in einer vorgeformten Nut des Metallrohlings oder in einer vorgeformten Nut der Verstärkung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei: ein viskoses Material zwischen den Verstärkungsfasern und wenigstens einem aus dem Metallrohling und der Verstärkung angeordnet wird, das Verfahren ferner ein Erwärmen der Fahrzeugkomponente umfasst, sodass das viskose Material a) aushärtet, um eine Klebeverbindung zwischen den Verstärkungsfasern und wenigstens einem aus dem Metallrohling und der Verstärkung auszubilden, oder b) trocknet oder zerfällt, um es zu ermöglichen, dass eine mechanische Befestigung zwischen den Verstärkungsfasern und wenigstens einem aus dem Metallrohling und der Verstärkung ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei: die Verstärkungsfasern in einer vorgeformten Nut des Metallrohlings platziert werden; die vorgeformte Nut in einer in dem Metallrohling vorhandenen vorgeformten Vertiefung angeordnet wird und vor dem Ultraschallschweißen die Verstärkung in der vorgeformten Vertiefung angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei während des Verformens die vorgeformte Nut um die Verstärkungsfasern herum komprimiert wird, um eine mechanische Befestigung zwischen den Verstärkungsfasern und der vorgeformten Nut zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fahrzeugkomponente eine B-Säule ist.
Fahrzeug, welches einen gestanzten Verbundmaterialrohling umfasst, wobei der gestanzte Verbundmaterialrohling vor einem Stanzen umfasst: einen im Wesentlichen flachen Metallrohling, welcher mittels Ultraschall mit einer metallischen Verstärkung verschweißt ist, wobei der Metallrohling aus einem ersten Metall ausgebildet ist, wobei die Verstärkung ein zweites Metall umfasst, wobei die Verstärkung einen Stapel aus einer oder mehreren Metallschichten umfasst und wobei, wenn die Verstärkung zwei oder mehr Metallschichten umfasst, die zwei oder mehr Metallschichten mittels Ultraschall miteinander verschweißt sind, und wobei der gestanzte Verbundmaterialrohling konturiert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 16, wobei sich das zweite Metall von dem ersten Metall unterscheidet und das zweite Metall wenigstens eines aus fester und steifer als das erste Metall ist.
Fahrzeug nach Anspruch 16, wobei der gestanzte Verbundmaterialrohling ferner Verstärkungsfasern umfasst, welche zwischen dem Metallrohling und der Verstärkung oder zwischen zwei oder mehr Metallschichten der Verstärkung angeordnet sind.
Fahrzeug nach Anspruch 18, wobei: der gestanzte Verbundmaterialteil ein gestanzter und erwärmter Verbundmaterialteil ist, welcher eine Klebeverbindung zwischen den Verstärkungsfasern und wenigstens einem aus dem Metallrohling und der Verstärkung umfasst, der gestanzte und erwärmte Verbundmaterialteil vor dem Erwärmen ein viskoses Material umfasst, welches zwischen den Verstärkungsfasern und wenigstens einem aus dem Metallrohling und der Verstärkung angeordnet ist, nach dem Erwärmen oder nach dem Zeitablauf das viskose Material aushärtet, um die Klebeverbindung auszubilden.
Fahrzeug nach Anspruch 18, wobei die Verstärkungsfasern und die Verstärkung in einer in dem Metallrohling vorhandenen vorgeformten Vertiefung oder in einer in der Verstärkung vorhandenen vorgeformten Vertiefung angeordnet sind.