DE102020108524A1

DE102020108524A1 - Formwerkzeug und verfahren zur herstellung von hybridbauteilen

Info

Publication number: DE102020108524A1
Application number: DE102020108524.9A
Authority: DE
Inventors: Claudio Canalini
Original assignee: Voestalpine Metal Forming GmbH
Current assignee: Voestalpine Metal Forming GmbH
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2021-09-30

Abstract

Ein Formwerkzeug zum Herstellen eines Hybridbauteils weist ein Matrizenwerkzeug und ein Stempelwerkzeug auf, zwischen welchen das Hybridbauteil hergestellt wird. Dabei umfasst das Stempelwerkzeug ein äußeres Werkzeugteil und einen relativ zum äußeren Werkzeugteil beweglichen Werkzeugeinsatz. Entweder umfasst der Werkzeugeinsatz wenigstens zwei seitlich voneinander wegbewegbare Teile, die bei geschlossenem Formwerkzeug und im äußeren Werkzeugteil vorgeschobenem Werkzeugeinsatz seitlich aufgespreizt oder aufspreizbar sind, oder das Matrizenwerkzeug umfasst einen Werkzeugschieber mit wenigstens zwei seitlich zueinander hin bewegbaren Teilen, die bei geschlossenem Formwerkzeug und im äußeren Werkzeugteil vorgeschobenem Werkzeugeinsatz seitlich zueinander hingeschoben oder hinschiebbar sind. In beiden Fällen wird dadurch in einem Bereich, in welchem sich das Faserverbundwerkstoff-Patch befindet, eine Erhöhung der seitlichen Flächenpressung bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug und ein Verfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils
In vielen Bereichen der Technik werden sogenannte Hybridbauteile eingesetzt, die aus einem geformten Blechbauteil und einem daran angebrachten, faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet sind. Das faserverstärkte Kunststoffmaterial wird in manchen Fällen nur teilflächig appliziert, um in einem oder mehreren bestimmten Bauteilbereichen eine lokale Verstärkung oder Versteifung des Blechbauteils herbeizuführen. Dadurch kann das Hybridbauteil belastbarer und/oder leichter als ein konventionelles Metallbauteil sein, das für denselben Einsatzzweck vorgesehen ist.
Üblicherweise werden lokale Faserverbundverstärkungen, im Folgenden auch als Faserverbundwerkstoff-Patches bezeichnet, durch Einkleben des Faserverbundwerkstoff-Patches in ein bereits räumlich geformtes Blechbauteil hergestellt. Hierfür ist ein separater Arbeitsgang erforderlich, der sich an den Umformprozess anschließt. Das nachträgliche Einbringen von Faserverbundverstärkungen ist jedoch aufwändig und verursacht hohe Fertigungskosten. Ferner müssen beide Komponenten des Hybridbauteils (Blechbauteil und Faserverbundwerkstoff-Patch) einzeln gefertigt werden und anschließend durch Fügen miteinander verbunden werden.
Ein modernes Verfahren zur Herstellung von Hybridbauteilen ist das Verbundpressen. Beim Verbundpressen wird das Faserverbundwerkstoff-Patch gemeinsam mit dem zu beschichtenden Metallblech in ein Werkzeug transferiert und in einem Fertigungsschritt in Form gepresst und gleichzeitig gefügt. Durch die prozessintegrierte Verbindung von Metallmaterial und Faserverbundwerkstoff kann ein zusammengefügtes Hybridbauteil direkt aus dem Werkzeug entnommen werden.
Schwierigkeiten beim Verbundpressen bestehen in der Flächenverklebung des Faserverbundwerkstoff-Patches mit dem Trägerblech. Insbesondere an Bauteilflanken ist eine prozesssichere Flächenverklebung mit herkömmlicher Werkzeugtechnik bisher nicht zufriedenstellend gelöst.
Hinzukommen können gegebenenfalls auch Probleme bei der Abgrenzung des Faserverbundwerkstoff-Patches, d.h. bei der Abdichtung im Bereich des Patch-Randes.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung kann darin gesehen werden, ein Formwerkzeug zum Herstellen eines Hybridbauteils sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben anzugeben, welches eine kostengünstige Herstellung von Hybridbauteilen ermöglicht. Insbesondere soll eine zuverlässige und dauerhafte Verbindung des Faserverbundwerkstoff-Patches am Blechbauteil erreichbar sein.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Formwerkzeug zum Herstellen eines Hybridbauteils weist gemäß einer Ausführungsform ein Matrizenwerkzeug und ein Stempelwerkzeug auf, zwischen welchen das Hybridbauteil hergestellt wird. Dabei umfasst das Stempelwerkzeug ein äußeres Werkzeugteil und einen relativ zum äußeren Werkzeugteil beweglichen Werkzeugeinsatz. Entweder umfasst der Werkzeugeinsatz wenigstens zwei seitlich voneinander wegbewegbare Teile, die bei geschlossenem Formwerkzeug und im äußeren Werkzeugteil vorgeschobenem Werkzeugeinsatz seitlich aufgespreizt oder aufspreizbar sind, oder das Matrizenwerkzeug umfasst einen Werkzeugschieber mit wenigstens zwei seitlich zueinander hin bewegbaren Teilen, die bei geschlossenem Formwerkzeug und im äußeren Werkzeugteil vorgeschobenem Werkzeugeinsatz seitlich zueinander hingeschoben oder hinschiebbar sind. In beiden Fällen wird dadurch in einem Bereich, in welchem sich das Faserverbundwerkstoff-Patch befindet, eine Erhöhung der seitlichen Flächenpressung bewirkt. Es können hierfür selbstverständlich auch beide Maßnahmen (aufspreizbarer Werkzeugeinsatz und zusammenfahrbarer Werkzeugschieber) gleichzeitig realisiert sein.
Das Formwerkzeug ermöglicht somit die Fertigung eines Hybridbauteils, welches das (umgeformte) Blechbauteil und das daran stoffschlüssig angebrachte Faserverbundwerkstoff-Patch enthält.
Ein Aspekt kann darin gesehen werden, durch die beweglichen Teile des Werkzeugeinsatzes oder des Werkzeugschiebers einen Bereich erhöhten seitlichen Flächenpressdruckes zu schaffen, der auf das Faserverbundwerkstoff-Patch einwirkt. Die Flächenpressung erfolgt dabei über die Bewegung (Aufspreizen bzw. Zusammenfahren) der wenigstens zwei Teile, wodurch der zur sicheren Verbindung des Faserverbundwerkstoff-Patches erforderliche seitliche Anpressdruck erzielt wird. Gleichzeitig dient der Werkzeugeinsatz auch der Umformung des Blechbauteils.
Durch die Erhöhung des seitlich wirkenden Flächendrucks mittels einer oder beider der genannten Maßnahmen kann auch eine Vergleichmäßigung des Druckverlaufes über die Kontur des Bauteils erreicht werden. Insbesondere lassen sich unerwünschte lokale Unterschiede des auf das Faserverbundwerkstoff-Patch wirkenden Flächendrucks auch bei komplexeren Bauteilgeometrien reduzieren. Es lässt sich beispielsweise erreichen, dass nicht nur in Schließrichtung des Formwerkzeugs, sondern auch in seitlicher Richtung, d.h. z.B. an Bauteilflanken, die für eine sichere und dauerhafte Verbindung des Faserverbundwerkstoff-Patches erforderliche Andruckkraft ausgeübt wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der laut Herstellerangaben erforderliche minimale Flächenpressdruck für das Faserverbundwerkstoff-Patch über die gesamte Bauteilkontur gewährleistet ist, wodurch das Risiko eines späteren Ablösens des Faserverbundwerkstoff-Patches (aufgrund lokal unzureichendem Flächenpressdruckes) minimiert oder sogar eliminiert wird.
Somit wird die Erzeugung des erforderliche Flächendruckprofils über den durch das Faserverbundwerkstoff-Patch verstärkten Bereich des Blechbauteil (insbesondere z.B. an Bauteilflanken) werkzeugtechnisch gelöst und gleichzeitig wird durch die Prozessintegration von Umformung und Fügevorgang eine wirtschaftliche Fertigung von Hybridbauteilen - insbesondere solchen mit einer Längsauswölbung - erreichbar.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Prozesszeiten für die Herstellung des Hybridbauteils deutlich verkürzt werden können. Die Erhöhung des Flächendrucks insbesondere im Flankenbereich bewirkt eine schnellere Aushärtung des Faserverbundwerkstoff-Patches im Werkzeug, so dass kürzere Taktzeiten und damit eine wirtschaftlichere Fertigung erreichbar sind.
Ferner kann durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen gegebenenfalls auch eine Kavität, in welcher sich das Faserverbundwerkstoff-Patch befindet, im Randbereich besser abgedichtet werden. D.h., die seitliche Anpressung kann gegebenenfalls auch ein Auspressen des Faserverbundwerkstoffes (z.B. des Harzes desselben) im Randbereich des Faserverbundwerkstoff-Patches unterbinden und damit die Dichtigkeit der Kavität, in welcher sich das Faserverbundwerkstoff-Patch befindet, unterstützen.
Das Matrizenwerkzeug kann eine Bauteilkonturfläche aufweisen, an welcher das Blechbauteil konturfolgend umgeformt wird. In diesem Fall kann in demselben Bereich, in welchem das Faserverbundwerkstoff-Patch stoffschlüssig an das Blechbauteil angebracht wird, auch eine Umformung des Blechbauteils in die Endform stattfinden. Ist das Matrizenwerkzeug mit einem Werkzeugschieber ausgerüstet, kann die Bauteilkonturfläche in den zwei seitlich zueinander hin bewegbaren Teilen ausgebildet sein, andernfalls kann sie als kontinuierliche Konturfläche einer im Matrizenwerkzeug vorhandenen Ausnehmung realisiert sein. Der seitliche Anpressdruck gewährleistet stets die sichere und dauerhafte Verbindung des Faserverbundwerkstoff-Patches am umgeformten Bereich des Blechbauteils, beispielsweise an einer Bauteilflanke, wo ohne zusätzliche seitliche Kraftausübung eine solche Verbindung nicht zufriedenstellend geschaffen würde. Gegebenenfalls kann auch die Abgrenzung des Faserverbundwerkstoff-Patches am Blechbauteil und/oder die Abdichtung der Kavität, in welcher sich das Faserverbundwerkstoff-Patch befindet, durch die seitliche Kraftausübung unterstützt werden.
Eine seitliche Erhöhung der Flächenpressung wird auch erreicht, wenn die Richtung der Kraftausübung einen von 90° unterschiedlichen Winkel zur Schließrichtung des Formwerkzeugs einschließt, jedoch eine ausreichend große Komponente in 90° Richtung zur Schließrichtung aufweist. Mit anderen Worten kann auch eine die Richtung der Kraftausübung vorgebende Schrägaufspreizung des Werkzeugeinsatzes oder eine schräg zur Matrizenwerkzeugfläche gerichtete Werkzeugschieberbewegung eine seitliche Erhöhung der Flächenpressung bewirken. Die Richtung der Kraftausübung gegenüber der Schließrichtung des Werkzeuges kann daher auch beispielweise gleich oder größer als z.B. 40°, 50°, 60°, 70°, 80° sein (d.h. kann aber muss nicht 90° betragen) .
Das Formwerkzeug kann derart gestaltet sein, dass bei geschlossenem Formwerkzeug das Blechbauteil in einem Bereich außerhalb des Faserverbundwerkstoff-Patches zwischen dem Matrizenwerkzeug und dem äußeren Werkzeugteil des Stempelwerkzeugs festgehalten wird. Das äußere Werkzeugteil wirkt somit in Verbindung mit dem Matrizenwerkzeug als Blechhalter, welcher eine Blechplatine, aus welcher das Blechbauteil durch Umformung gebildet wird, zumindest in ihrer Vertikallage fixiert.
Das Formwerkzeug kann eine Schrägflächenmechanik aufweisen, die ausgelegt ist, beim oder nach dem Vorschieben des Werkzeugeinsatzes die seitlich voneinander wegbewegbaren Teile des Werkzeugeinsatzes auseinanderzuspreizen und/oder die seitlich zueinander hin bewegbaren Teile des Werkzeugschiebers zueinander hin zu bewegen.
Die Schrägflächenmechanik kann beispielsweise einen Treibkeil aufweisen, der ausgelegt ist, die seitlich voneinander wegbewegbaren Teile des Werkzeugeinsatzes beim Vorschieben desselben oder auch nach dem Vorschieben desselben auseinander zu pressen und dadurch zu spreizen. Dabei kann die Keilform in Verbindung mit einem Vordringen des Treibkeils in den mehrteiligen Werkzeugeinsatz den erforderlichen seitlichen Anpressdruck im Flankenbereich des Blechbauteils herbeiführen.
Das Formwerkzeug kann eine mechanische Krafterzeugungseinrichtung, insbesondere Hydraulik, aufweist, die ausgelegt ist, die seitlich voneinander wegbewegbaren Teile des Werkzeugeinsatzes beim oder nach dem Vorschieben desselben auseinanderzuspreizen und/oder die seitlich zueinander hin bewegbaren Teile des Werkzeugschiebers beim oder nach dem Vorschieben des Werkzeugeinsatzes desselben zueinander hin zu bewegen.
Das Formwerkzeug kann ausgelegt sein, in einer ersten Phase des Vorschiebens des Werkzeugeinsatzes im äußeren Werkzeugteil eine Umformung des Blechbauteils gemeinsam mit dem Faserverbundwerkstoff-Patch zu bewirken, wobei erst in einer zweiten Phase des Vorschiebens des Werkzeugeinsatzes im äußeren Werkzeugteil die seitliche Aufspreizung der Teile des Werkzeugeinsatzes und/oder das zueinander hin Bewegen der Teile des Werkzeugschiebers beginnt. Dadurch kann erreicht werden, dass die Umformung des Blechbauteils nahezu abgeschlossen ist, wenn die seitliche Aufspreizung der Teile des Werkzeugeinsatzes und/oder das zueinander hin Bewegen der Teile des Werkzeugschiebers beginnt.
Die Teile des Werkzeugeinsatzes und/oder die Teile des Werkzeugschiebers können einen Bewegungsweg von gleich oder mehr als 0,2 mm oder 0,5 mm oder 1,0 mm und/oder weniger als 5,0 mm oder 2, 0 mm oder 1, 0 mm aufweisen. Der Bewegungsweg (d.h. die Distanz, über die sich ein Teil beim seitlichen Anpressen bewegt) ist abhängig von der Bauteilgeometrie und/oder der Dicke des Faserverbundwerkstoff-Patches und/oder der gewünschten oder erforderlichen Flächenpressung. Es ist auch möglich, unterschiedliche Bewegungswege für die Teile des Werkzeugeinsatzes oder des Werkzeugschiebers vorzusehen.
Vorteilhafterweise kann das Formwerkzeug gegebenenfalls ohne Werkzeugdichtungen im Randbereich der Kavität ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die Erhöhung des seitlichen Anpressdruckes des Werkzeugeinsatzes an das Blechbauteil auch die erforderliche Abgrenzung zwischen Faserverbundwerkstoff-Patch und Metallmaterial des Blechbauteils verbessern oder schaffen, ohne dass hierfür weitere werkzeugtechnische Maßnahmen (z.B. Dichtungen usw.) erforderlich sind. Es ist jedoch auch möglich, Werkzeugdichtungen wie z.B. eine die Kavität umlaufende Nut zur Abdichtung der Kavität vorzusehen.
Auch spezielle Merkmale des Faserverbundwerkstoff-Patches zur Erzielung einer Randabdichtung, wie beispielsweise Dichtlippen oder spezielle Klebstoffe und dergleichen, können gegebenenfalls entfallen oder einfacher ausgeführt sein.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils kann die folgenden Schritte aufweisen: Zunächst werden das Faserverbundwerkstoff-Patch und eine Blechplatine auf ein Stempelwerkzeug gelegt, welches ein äußeres Werkzeugteil und einen relativ zum äußeren Werkzeugteil beweglichen Werkzeugeinsatz aufweist. Danach wird ein Matrizenwerkzeug bewegt, so dass es in Anlage an die Blechplatine gelangt. Der Werkzeugeinsatz wird relativ zum äußeren Werkzeugteil vorgeschoben, wobei die Blechplatine und das Faserverbundwerkstoff-Patch gemeinsam umgeformt werden. Es erfolgt (A) ein seitliches Aufspreizen von wenigstens zwei seitlich voneinander wegbewegbaren Teilen des Werkzeugeinsatzes, um dadurch in einem Bereich, in welchem sich das Faserverbundwerkstoff-Patch befindet, eine Erhöhung der seitlichen Flächenpressung zu bewirken, oder (B) ein seitliches zueinander hin Bewegen von wenigstens zwei bewegbaren Teilen eines vom Matrizenwerkzeug umfassten Werkzeugschiebers, um dadurch in einem Bereich, in welchem sich das Faserverbundwerkstoff-Patch befindet, eine Erhöhung der seitlichen Flächenpressung zu bewirken.
Die Aufspreizung der Teile des Werkzeugeinsatzes im Fall (A) kann dabei entweder durch das Vorschieben des Werkzeugeinsatzes relativ zum äußeren Werkzeugteil gesteuert werden oder es ist möglich, dass die Aufspreizung erst in der Endlage des Werkzeugeinsatzes relativ zum äußeren Werkzeugteil erfolgt.
Sofern die Aufspreizung durch das Vorschieben des Werkzeugeinsatzes bewirkt wird, kann das Vorschieben des Werkzeugeinsatzes beispielsweise durch den Pressenhub gesteuert werden. Es ist jedoch auch möglich, dass das Auf spreizen der wenigstens zwei Teile des Werkzeugeinsatzes und/oder das seitliche zueinander hin Bewegen der wenigstens zwei Teile des Werkzeugschiebers durch eine Schrägflächenmechanik oder durch eine mechanische Krafterzeugungseinrichtung, insbesondere Hydraulik, gesteuert wird.
Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, dass das Faserverbundwerkstoff-Patch im geschlossenen Formwerkzeug durch Wärmezufuhr ausgehärtet wird. Es ist jedoch auch möglich, dass die Aushärtung erst nach der Entnahme des Hybridbauteils aus dem Formwerkzeug erfolgt, beispielsweise auf einem Auslaufband mittels Strahlern oder eines Durchlaufofens. Dadurch lassen sich die Taktzeiten im Produktionsablauf verkürzen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Weiterbildung in beispielhafter Weise anhand der schematischen Zeichnungen erläutert, wobei in den Zeichnungen teilweise ein unterschiedlicher Detaillierungsgrad verwendet wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben oder ähnliche Teile.

1A zeigt in Querschnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines geöffneten Formwerkzeugs mit aufspreizbarem Werkzeugeinsatz zum Herstellen eines Hybridbauteils durch Verbundpressen.
1B zeigt in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines Stempelwerkzeugs des Formwerkzeugs der 1A. 2 zeigt in Querschnittdarstellung das Formwerkzeug der 1A mit eingelegtem Faserverbundwerkstoff-Patch und eingelegter Blechplatine.
3A zeigt in Querschnittdarstellung das Formwerkzeug der 2 mit abgesenktem Matrizenwerkzeug.
3B zeigt in Querschnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Formwerkzeugs mit einem im Matrizenwerkzeug ausgebildeten Werkzeugschieber zum Herstellen eines Hybridbauteils durch Verbundpressen.
4 zeigt in Querschnittdarstellung das Formwerkzeug der 3A mit vorgeschobenem Werkzeugeinsatz und gemeinsam umgeformten Blechbauteil und Faserverbundwerkstoff-Patch.
5 zeigt in Querschnittdarstellung das Formwerkzeug der 4 mit aufgespreizten Teilen des Werkzeugeinsatzes.
6 zeigt in Querschnittdarstellung ein Formwerkzeug mit geschlossenen Teilen des Werkzeugeinsatzes, wobei die Aufspreizung des Werkzeugeinsatzes durch eine Bewegung des Stempelwerkzeugs bewirkt wird.
7 zeigt in Querschnittdarstellung ein Formwerkzeug mit aufgespreizten Teilen des Werkzeugeinsatzes, wobei die Aufspreizung des Werkzeugeinsatzes durch eine Krafterzeugungseinrichtung bewirkt wird.
8 zeigt in Längsschnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B in 1B und in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel des Stempelwerkzeugs 130 eines Formwerkzeugs 100.
9A-9D zeigen in Längsschnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Formwerkzeugs in unterschiedlichen Stadien des Herstellungsprozesses eines Hybridbauteils.

Gemäß 1A kann ein Formwerkzeug 100 ein Matrizenwerkzeug 110 und ein Stempelwerkzeug 130 aufweisen. Das Stempelwerkzeug 130 kann dabei mehrteilig sein, d.h. beispielsweise ein äußeres Werkzeugteil 132 und ein relativ zum äußeren Werkzeugteil 132 beweglichen Werkzeugeinsatz 134 aufweisen. Der Werkzeugeinsatz 134 kann beispielsweise in einer Richtung relativ zu dem äußeren Werkzeugteil 132 beweglich sein, die parallel zur Schließrichtung des Formwerkzeugs 100 verläuft. Die Schließrichtung des Formwerkzeugs 100 entspricht der konstruktiv vorgegebenen Richtung, unter welcher das Matrizenwerkzeug 110 und das Stempelwerkzeug 130 aneinander angenähert und geschlossen werden können.
Der Werkzeugeinsatz 134 ist mehrteilig ausgeführt, wobei in der Querschnittdarstellung der 1A ein erstes Teil 134_1 und ein zweites Teil 134_2 dargestellt sind.
Bei den Teilen 134_1 und 134_2 kann es sich beispielsweise um Längsprofile handeln, die sich in die Zeichnungsebene hinein erstrecken. Der Verlauf der Längsprofile kann einem Abschnitt des zu fertigenden Hybridbauteils entsprechen, d.h. sich beispielsweise über eine Teillänge desselben erstrecken. Es ist jedoch auch möglich, dass die Teile 134_1 und 134_2 über die gesamte Länge dem zu fertigenden Hybridbauteil entsprechen. Die Teile 134_1 und 134 2 können im Querschnitt spiegelsymmetrisch zueinander sein.
1B zeigt ein Ausführungsbeispiel des Stempelwerkzeugs 130 in Draufsicht, wobei die 1A dem Querschnitt A-A entspricht. Der Werkzeugeinsatz 134, der die beiden Teile 134_1 und 134 2 umfasst, erstreckt sich hier über eine Teillänge des herzustellenden Hybridbauteils. Die restliche Länge des Hybridbauteils, an welche kein Faserverbundwerkstoff-Patch angeformt werden soll, wird von einem im Stempelwerkzeug 130 vorgesehenen Werkzeugstempel 160 umgeformt. Der Werkzeugstempel 160 kann beispielsweise in einer Richtung relativ zu dem äußeren Werkzeugteil 132 beweglich sein, die parallel zur Schließrichtung des Formwerkzeugs 100 verläuft. Der in dem Werkzeugstempel 160 eingesetzte Werkzeugeinsatz 134 wird in der Technik auch als Stempeleinsatz bezeichnet.
Gemäß 1A kann das Formwerkzeug 100 Werkzeugplatten 120 bzw. 140 aufweisen, die an einer (nicht dargestellten) Presse montiert sind und von dieser entsprechend dem Pressenhub bewegt werden. Die Werkzeugplatten 120, 140 sind im geöffneten Zustand des Formwerkzeugs 100 (siehe 1A) so weit auseinander gefahren, dass zwischen dem Matrizenwerkzeug 110 und dem Stempelwerkzeug 130 ein Öffnungsfreiraum 150 vorhanden ist. Durch ein Zusammenfahren der Werkzeugplatten 120, 140 kann das Formwerkzeug 100 geschlossen werden, wie dies im Folgenden noch näher erläutert wird. Anstelle von Werkzeugplatten kann es sich bei den Platten 120, 140 auch um die Aufspannplatten der Presse handeln, an der das Formwerkzeug 100 befestigt ist.
In der in 1A dargestellten Werkzeugstellung ist das Formwerkzeug 100 geöffnet, das äußere Werkzeugteil 132 des Stempelwerkzeugs 130 hochgefahren und die beiden Teile 134_1, 134_2 des Werkzeugeinsatzes 134 zusammengefahren. Im zusammengefahrenen Zustand können sich die beiden Teile 134_1, 134 2 im oberen Bereich im Wesentlichen spaltfrei berühren.
Der in 1A nicht sichtbare Werkzeugstempel 160 kann je nach Ausführungsbeispiel entweder angehoben sein (z.B. mittels Federn, die zwischen der Werkzeugplatte 140 und dem Werkzeugstempel 160 angeordnet sind) oder auf der Werkzeugplatte 140 aufstehen.
Der Werkzeugeinsatz 134 kann, wie in 1A dargestellt, als Formkern ausgebildet sein. Das Matrizenwerkzeug 110 ist als Matrizenformplatte realisiert, welche gegenüberliegend dem Werkzeugeinsatz 134 eine Ausnehmung 112 in der Plattenoberfläche aufweist, in welche der Formkern (Stempel) eintauchen kann. Hierfür kann die Bauteilkonturfläche des Matrizenwerkzeugs 110 im Bereich der Ausnehmung 112 mit der Kontur des Formkerns (d.h. des oberen Bereichs des Werkzeugeinsatzes 134) korrespondieren. Die Ausnehmung kann eine U-förmige Querschnittsform aufweisen. Die Flanken des Us können beispielsweise um gleich oder mehr als 40°, 50°, 60°, 70° oder 80° gegenüber der Horizontalen geneigt sein.
Der in 1A nicht sichtbare Werkzeugstempel 160 kann ebenfalls als Formkern ausgebildet sein. Er kann eine Querschnittsform aufweisen, die zumindest im Anlagebereich zwischen Werkzeugstempel 160 und Werkzeugeinsatz 134 der in 1A gezeigten Querschnittsform des Werkzeugeinsatzes 134 entspricht.
In 1A ist ferner eine Schrägflächenmechanik dargestellt, die ausgelegt ist, die seitlich voneinander wegbewegbaren Teile 134_1, 134_2 des Werkzeugeinsatzes 134 beim und/oder nach dem Vorschieben des Werkzeugeinsatzes 134 auseinanderzuspreizen. In dem hier dargestellten Beispiel umfasst die Schragflächenmechanik beispielsweise einen Treibkeil 170, auf welchem der mehrteilige Werkzeugeinsatz 134 aufsitzt. Der Treibkeil 170 kann ausgelegt sein, die seitlich voneinander wegbewegbaren Teile 134_1, 134_2 des Werkzeugeinsatzes 134 beim und/oder nach dem Vorschieben des Werkzeugeinsatzes 134 auseinanderzuspreizen. Wie im Folgenden noch näher ausgeführt wird, kann der Treibkeil 170 mit der Werkzeugplatte 140 starr verbunden (beispielsweise integral geformt) sein oder bewegungsmäßig gekoppelt sein oder auch unabhängig von der Werkzeugplatte 140 bewegbar sein.
Gemäß 2 werden in der in 1A dargestellten Werkzeugstellung zwischen dem Matrizenwerkzeug 110 und dem Stempelwerkzeug 130 ein Faserverbundwerkstoff-Patch 220 sowie eine Blechplatine 240 auf das Stempelwerkzeug 130 aufgelegt. Das Faserverbundwerkstoff-Patch 220 und die Blechplatine 240 stellen die Ausgangsmaterialien für das herzustellende Hybridbauteil dar. Das Faserverbundwerkstoff-Patch 220 und die Blechplatine 240 können einzeln oder gemeinsam im bereits zusammengefügten Verbund aufgelegt werden.
Bei der Blechplatine 240 kann es sich beispielsweise um eine Platine aus einem Stahl- oder Aluminiummaterial handeln. Derartige Materialien werden häufig im Fahrzeugs- oder Karosseriebau eingesetzt, beispielsweise um Strukturbauteile (Rahmenkomponenten, B-Säulen, Längs- und Querlenker, usw.) oder auch andere Profilteile herzustellen.
Das Faserverbundwerkstoff-Patch 220 kann ein vorkonfektioniertes, flächiges Fasermatrix-Halbzeug sein, für das eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialien verwendbar ist. Bei den enthaltenen Fasern kann es sich beispielsweise um Kohlenstoff-, Glas- oder Aramidfasern handeln. Häufig wird von GFK (glasfaserverstärkten Kunststoffen) bzw. CFK (karbonfaserverstärkten Kunststoffen) gesprochen. Aramidfasern kommen zum Einsatz, wenn eine besonders hohe Energieaufnahme, beispielsweise zu Schutzzwecken (Fahrzeugpanzerung), gewünscht wird. Von geringerer praktischer Bedeutung, jedoch ebenfalls umfasst, sind Naturfasern, keramische Fasern und metallische Fasern, die in bestimmten Segmenten (z.B. Hochtemperaturanwendung) von Bedeutung sein können.
Als Matrixwerkstoff können polymere Werkstoffe eingesetzt werden, die entweder als Duroplaste oder Thermoplaste vorliegen können. Duroplastische Kunststoffe (Harze) werden beispielsweise bei sogenannten (trockenen) Prepregs oder auch (nassen) getränkten Faserzuschnitten eingesetzt. Kombinationen zwischen den genannten Fasermaterialien und Matrixwerkstoffen sowie unterschiedliche Gewebeanordnungen (einlagig, mehrlagig, usw.) der Fasermaterialien in dem Matrixwerkstoff erlauben es, eine Vielzahl unterschiedlicher Faserverbundwerkstoff-Patches 220 mit gezielt einstellbaren Eigenschaften zu schaffen.
Beispielsweise kann es sich bei dem Faserverbundwerkstoff-Patch 220 in der hier exemplarisch dargestellten Anwendung um ein mehrlagiges CFK-Prepreg handeln, das mehrere CFK-Schichten aufweist und als oberste Schicht einen Haftvermittler umfasst, der zwischen den CFK-Schichten und der Blechplatine 240 angeordnet ist.
Das Formwerkzeug 100 kann beheizt sein, insbesondere kann die Werkzeugtemperatur ca. 110°C - 220°C, bevorzugt 150°C - 210°C betragen. Die auf das Faserverbundwerkstoff-Patch 220 aufgelegte Blechplatine 240 kann ebenfalls erwärmt sein.
In 2 ist eine Werkzeugstellung gezeigt, in welcher das Formwerkzeug 100 geöffnet ist, das äußere Werkzeugteil 132 des Stempelwerkzeugs 130 hochgefahren ist und der Werkzeugeinsatz 134 zusammengefahren ist. Das Faserverbundwerkstoff-Patch 220 und die Blechplatine 240 sind in das Formwerkzeug 100 eingelegt, aber noch nicht fixiert. Das äußere Werkzeugteil 132 wirkt als Blechhalter (weshalb es in der Technik auch als Blechhalter bezeichnet wird) . Der in 2 nicht sichtbare Werkzeugstempel 160 kann wie in 1A entweder angehoben sein oder sich am unteren Totpunkt (UT) befinden.
Anschließend erfolgt der Schließvorgang des Formwerkzeugs 100, der in 3A in beispielhafter Weise veranschaulicht ist. Das Matrizenwerkzeug 110 wird dabei in Anlage an die Blechplatine 240 geführt. Das Stempelwerkzeug 130 hat sich in seiner Stellung beispielsweise nicht verändert, d.h. das äußere Werkzeugteil 132 ist hochgefahren und der Werkzeugeinsatz 134 (in der Technik auch als Stempeleinsatz bezeichnet) ist weiterhin zusammengefahren. Der in 3A nicht sichtbare Werkzeugstempel 160 kann wie in den 1A und 2 entweder angehoben sein oder sich am unteren Totpunkt (UT) befinden.
In der in 3A dargestellten Werkzeugstellung wird durch die Erwärmung des Formwerkzeugs 100 das Matrixmaterial (z.B. Harz) des Faserverbundwerkstoff-Patches 220 aktiviert und viskos.
3B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Formwerkzeugs 100', das sich von dem in den 1A-1B, 2, 3A gezeigten beispielhaften Formwerkzeug 100 im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass anstelle eines aufspreizbaren (d.h. aus wenigstens zwei Teilen 134_1, 134_2 bestehenden) Werkzeugeinsatzes 134 ein im Matrizenwerkzeug 110 ausgeführter, zumindest zwei zueinander hin bewegbare Teile 116_1, 116_2 aufweisender Werkzeugschieber 116 enthalten ist. Der Werkzeugeinsatz 134' kann in dem Formwerkzeug 100' demzufolge einteilig - d.h. nicht aufzpreizbar - ausgeführt sein.
Wie in 3B dargestellt befindet sich zwischen den beiden Teilen 116_1, 116_2 ein Spalt 118. Der Spalt 118 ermöglicht es, die beiden Teile 116_1, 116_2 zueinander hin zu bewegen. Die Bewegungsrichtung der Teile 116_1, 116_2 des Werkzeugschiebers 116 kann konstruktiv vorgegeben sein, beispielsweise indem die Teile 116_1, 116_2 wie dargestellt in Querrichtung an einer horizontalen Fläche des Matrizenwerkzeugs 110' verschiebbar sind. Eine Verschiebbarkeit in Schrägrichtung z.B. nach unten kann ebenfalls vorgesehen sein.
Die Teile 116_1, 116_2 des Werkzeugschiebers 116 können beispielsweise mehrteilig sein. Sie können beispielsweise innen angeordnete Formbacken 116_1a bzw. 116_2a umfassen, die einen einfacheren Teileaustausch bei Verschleiß erlauben.
Die im Formwerkzeug 100 beispielsweise in Form eines Spreizkeils 170 realisierte Schrägflächenmechanik ist in dem in 3B dargestellten Ausführungsbeispiel z.B. in Form eines Werkzeugrahmens 190 ausgeführt, dessen obere Enden als Schrägflächen 195 ausgebildet sind. Die Schrägflächen 195 des Werkzeugrahmens 190 kommen beim Absenken des Matrizenwerkzeugs 110 beispielsweise an Schrägflächen der beiden Teilen 116_1, 116_2 in Anlage, so dass durch ein weiteres Absenken des Matrizenwerkzeugs 110 auf UT die beiden Teilen 116_1, 116_2 nach innen, d.h. aufeinander zu bewegt werden. Damit lässt sich derselbe Effekt (seitliche Flächenpressung an gegenüber der Horizontalen geneigten Bauteilbereichen) erzielen, wie dies anhand dem in den 1A, 1B, 2, 3A gezeigten Ausführungsbeispiel im Folgenden im Detail beschrieben wird.
Mit anderen Worten können sämtliche im Folgenden anhand des beispielhaften Formwerkzeugs 100 beschriebenen Merkmale, Eigenschaften, Varianten sowie Verfahrensschritte in analoger Weise direkt auf das in 3B gezeigte Ausführungsbeispiel des Formwerkzeugs 3B übertragen oder angewendet werden. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird die Erfindung daher ohne Einschränkungen der Allgemeinheit exemplarisch anhand des Formwerkzeugs 100, wobei die entsprechenden Ausgestaltungen (beispielsweise in Form der kinematischen Umkehr) des Ausführungsbeispiels der 3A ebenfalls von der Offenbarung dieses Textes umfasst sind.
Durch den in 4 dargestellten Pressvorgang wird das Faserverbundwerkstoff-Patch 220 gleichzeitig mit der Blechplatine 240 umgeformt. Hierfür wird das Formwerkzeug 100 vollständig geschlossen. Das äußere Werkzeugteil 132 befindet sich am unteren Totpunkt (UT) oder kurz darüber (d.h. das äußere Werkzeugteil 132 kann optional, wie in 4 beispielhaft dargestellt, noch etwas „Luft“ zur Werkzeugplatte 140 haben) . Der Werkzeugeinsatz 134 ist im äußeren Werkzeugteil 132 nach oben vorgeschoben und taucht in die Ausnehmung 112 an der Bauteilkonturfläche des Matrizenwerkzeugs 110 ein. Dadurch wird das Faserverbundwerkstoff-Patch 220 gleichzeitig mit der Blechplatine 240 umgeformt. Die Umformung erfolgt konturfolgend an den jeweiligen Werkzeugflächen (Ausnehmung 112 und Formkern des Werkzeugeinsatzes 134), d.h. es kann z.B. ein im Querschnitt U-förmiges Hybridbauteil erzeugt werden.
In der in 4 dargestellten Werkzeugstellung sind die Teile 134_1, 134_2 des Werkstoffeinsatzes 134 noch zusammengefahren (d.h. liegen im Wesentlichen spaltfrei aneinander an). Der in 4 nicht sichtbare Werkzeugstempel 160 kann wie in den 1A, 2 und 3 entweder angehoben sein oder sich am unteren Totpunkt (UT) befinden.
In einer letzten Phase der Werkzeugverwendung erfolgt dann eine Aufspreizung des Werkzeugeinsatzes 134, siehe 5. Durch die Aufspreizung des Werkzeugeinsatzes 134 werden die beiden Teile 134_1, 134_2 des Werkzeugeinsatzes 134 voneinander wegbewegt, so dass sich zwischen diesen beiden Teilen 134_1, 134_2 ein Spreizspalt 510 bildet. Die Richtung der Kraftausübung kann konstruktiv durch die Bewegungsrichtung der Teile 134_1, 134_2 des Werkzeugeinsatzes 134 vorgegeben werden und wie dargestellt in Querrichtung oder z.B. auch in Schrägrichtung z.B. nach oben erfolgen. In 5 ist das Formwerkzeug 100 geschlossen, das äußere Werkzeugteil 132 befindet sich auf UT und der Werkzeugeinsatz 134 ist vollständig vorgeschoben und wie bereits erwähnt gespreizt. Der in 5 nicht sichtbare Werkzeugstempel 160 befindet sich jetzt ebenfalls auf UT.
Durch das Aufspreizen des Werkzeugeinsatzes 134 werden die beiden Teile 134_1, 134_2 voneinander wegbewegt und erzeugen dadurch den erforderlichen Anpressdruck an den Flanken des Werkzeugeinsatzes 134.
Dadurch kann gegebenenfalls auch eine randseitige Abdichtung einer Kavität erreicht werden, in welcher sich das Faserverbundwerkstoff-Patch 220 befindet. Die Abdichtung erfolgt über das (durch Umformung der Blechplatine 240 hergestellte) Blechbauteil 540, das an den Rändern der zwischen dem Werkzeugeinsatz 134 und dem Blechbauteil 540 gebildeten Kavität anliegt. Die Anlage mit ausreichendem Anpressdruck bildet sich aus bevor das Faserverbundwerkstoff-Patch 220 den Anpressdruck erreicht, der ansonsten das Auspressen des Harzes bewirken würde.
Wie in den 4 und 5 veranschaulicht kann das Auseinanderspreizen des Werkzeugeinsatzes 134 im Zuge des Vorschiebens des Werkzeugeinsatzes 134 relativ zum äußeren Werkzeugteil 132 erfolgen, wobei erst in einer abschließenden Phase des Vorschiebens des Werkzeugeinsatzes 134 im äußeren Werkzeugteil 132 die seitliche Aufspreizung der Teile 134_1, 134_2 des Werkzeugeinsatzes 134 erfolgen kann. Beispielsweise kann der Bewegungsweg des Werkzeugeinsatzes in dieser zweiten Phase des Vorschiebens (in welcher gleichzeitig eine Aufspreizung des Werkzeugeinsatzes 134 erfolgt) eine Länge von weniger als 8 mm oder 5 mm oder 3 mm aufweisen.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Aufspreizung des Werkzeugeinsatzes 134 erst bei vollständig vorgeschobenem Werkzeugeinsatz 134 stattfindet, d.h. in einer Stellung des Werkzeugeinsatzes 134, in welcher dieser in Schließrichtung des Formwerkzeuges 100 bereits in seiner Endstellung (UT) relativ zu dem äußeren Werkzeugteil 132 ist.
Die Aufspreizung der Teile 134_1, 134_2 des Werkzeugeinsatzes 134 kann in beiden Fällen durch die Schrägflächenmechanik, hier beispielsweise durch eine Bewegung des Treibkeils 170 innerhalb des Werkzeugeinsatzes 134, bewirkt werden. Beispielsweise kann, wie in den 4 und 5 dargestellt, der Treibkeil 170 den Werkzeugeinsatz 134 tragen und bei einer Schließbewegung der unteren Werkzeugplatte 140 den Werkzeugeinsatz 134 zunächst Vorschieben und dann in der letzten Phase des Vorschiebens aufspreizen. Hierfür kann der Treibkeil 170 starr mit der Werkzeugplatte 140 verbunden sein und der Werkzeugstempel 160 beispielsweise über Federn von der Werkzeugplatte 140 getragen werden.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Treibkeil 170 nicht von der unteren Werkzeugplatte (oder Aufspannplatte) 140 betätigt wird, d.h. z.B. nicht mit dieser starr gekoppelt ist. Stattdessen kann die Bewegung des Treibkeils 170 relativ zu dem äußeren Werkzeugteil 132 auch über einen Werkzeugeinsatz-Antrieb gesteuert werden, der beispielsweise von der Bewegung des äußeren Werkzeugteils 134 (d.h. des Blechhalters) gesteuert wird. Ein auf diesem Prinzip basierendes Ausführungsbeispiel einer Schrägflächenmechanik ist in 6 dargestellt.
Demnach kann der Werkzeugeinsatz-Antrieb Treiber 610_1, 610_2 umfassen, die in Querrichtung verschiebbar sind, beispielsweise indem sie auf der unteren Werkzeugplatte 140 lagern. Die Treiber 610_1, 610_2 können über Schrägflächen von dem äußeren Werkzeugteil 134 beaufschlagt und in ihrer Position in Querrichtung gesteuert werden. Über eine weitere Mechanik, beispielsweise einen an Schrägflächen der Treiber 610_1, 610_2 anliegenden Antriebskonus 620, kann die Querbewegung der Treiber 610_1, 610_2 in eine Vertikalbewegung umgelenkt und auf den Spreizkeil 170 übertragen werden. In diesem und anderen Ausführungsbeispielen (insbesondere bei solchen, bei welchen eine Relativbewegung zwischen dem Spreizkeil 170 und der unteren Werkzeugplatte 140 möglich ist) kann der Werkzeugstempel 160 beispielsweise stets auf UT sein, d.h. ein Anheben des Werkzeugstempels 160 in den verschiedenen Stadien der Werkzeugverwendung ist nicht erforderlich.
Ferner ist es möglich, dass die Bewegung des Treibkeils 170 relativ zu dem äußeren Werkzeugteil 132 unabhängig von dem Pressenhub und/oder unabhängig von der Stellung des äußeren Werkzeugteils 132 durch einen separaten Werkzeugeinsatz-Antrieb (nicht dargestellt) gesteuert wird. In diesem Fall können das Matrizenwerkzeug 110, das äußere Werkzeugteil 132 und der Werkzeugeinsatz 134 beispielsweise sämtlich in ihrer Endstellung sein, bevor die Aufspreizung des Werkzeugeinsatzes 134 in seitlicher Richtung durch eine Bewegung des Treibkeils 170 vorgenommen wird.
Darüber hinaus kann generell anstelle eines Treibkeils 170 auch eine andere mechanische Krafterzeugungseinrichtung zur Aufspreizung des Werkzeugeinsatzes 134 vorgesehen sein. Beispielsweise kann wie in 7 in schematischer Weise gezeigt die Aufspreizung durch eine im Wesentlichen in Querrichtung oder auch in Schrägrichtung zur Schließrichtung des Werkzeuges wirkende Krafterzeugungseinrichtung 770 vorgenommen werden, die beispielsweise als Hydraulik-Zylinderkolbenanordnung ausgeführt ist. Auch in diesem Fall sind sämtliche oben beschriebene Werkzeugverwendungen und Verfahrensabläufe möglich, d.h. die Aufspreizung kann beispielsweise in einer letzten Phase des Umformprozesses (gemäß obiger Beschreibung) oder erst dann, wenn der Umformprozess abgeschlossen ist (d.h. das Matrizenwerkzeug 110, das äußere Werkzeugteil 132 und der Werkzeugeinsatz 134 sämtlich in ihrer Endstellung sind) durchgeführt werden.
Eine im Wesentlichen in Querrichtung oder auch in Schrägrichtung zur Schließrichtung des Werkzeuges wirkende Krafterzeugungseinrichtung kann auch in dem Formwerkzeug 100' (siehe 3B) vorgesehen sein. In diesem Fall erzeugt die Krafterzeugungseinrichtung (z.B. eine Hydraulik-Zylinderkolbenanordnung) jedoch nicht eine nach außen gerichtete Querkraft, sondern eine auf die Teile 116_1, 116_2 des Werkzeugschiebers 116 nach innen zusammenpressende Querkraft.
In allen Fällen kann die Aufspreizung der Teile 134_1, 134_2 des Werkzeugeinsatzes 134 (beim Formwerkzeug 100) bzw. das Zusammenfahren der Teile 116_1, 116_2 des Werkzeugschiebers 116 (beim Formwerkzeug 100') relativ gering sein und beispielsweise einen Bewegungsweg eines oder jeden Teils von gleich oder mehr als 0,2 mm oder 0,5 mm oder 1,0 mm und/oder gleich oder weniger als 5, 0 mm oder 2, 0 mm oder 1, 0 mm herbeiführen. Der Bewegungsweg öffnet einen Spreizspalt 510 zwischen den Teilen 134_1, 134_2 des Werkzeugeinsatzes 134 bzw. verkleinert oder schließt den Spalt 180 zwischen den Teilen 116_1, 116_2 des Werkzeugschiebers 116.
In der Längsschnittdarstellung (unten) und der perspektivischen Teilansicht (oben) der 8 ist der Längsverlauf des Werkzeugstempels 160 mit dem Werkzeugeinsatz 134 erkennbar. Das äußere Werkzeugteil 132 befindet sich auf UT. Am Werkzeugstempel 160 kann im Bereich des Übergangs zum Werkzeugeinsatz 134 eine abgerundete Stufe oder Ausnehmung vorgesehen sein (siehe Kreis K) , die eine über die gesamte Querdimension des Werkzeugstempels 160 verlaufende Nut ausbilden kann. In dieser kann sich überschüssiges Harz sammeln, das während des Verbundpressens ausgepresst wird. Somit wird auch an den in Querrichtung verlaufenden Kavitätsgrenzen ein sauberer Abschluss des Faserverbundwerkstoff-Patches ermöglicht. Eine entsprechende Nut zur Abdichtung kann auch in der Längsdimension vorhanden sein, d.h. das Spreizen der Teile 134_1, 134_2 kann die Abdichtung gegebenenfalls unterstützen oder sogar herbeiführen, wird beispielsweise jedoch in anderen Fällen zur Abdichtung nicht benötigt und/oder hat keinen Einfluss auf die Dichtigkeit der Kavität.
Sichtbar sind in 8 ferner Auswerfer 838, mittels welchen das fertige Hybridbauteil aus dem Formwerkzeug 100 ausgeworfen werden kann.
Die 9A-9D zeigen in Längsschnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel des Formwerkzeugs 100 in unterschiedlichen Stadien des Herstellungsprozesses eines Hybridbauteils. Zusätzlich zu den genannten Teilen sind in diesen Figuren Heizelemente (z.B. sogenannte Heizpatronen) 912, erkennbar, die sowohl in dem Matrizenwerkzeug 110 als auch im äußeren Werkzeugteil 132 wahlweise vorgesehen sein können.
In der in 9A dargestellten Werkzeugstellung ist das Formwerkzeug 100 geöffnet, das äußere Werkzeugteil (Blechhalter) 132 hochgefahren und der Werkzeugeinsatz (Stempeleinsatz) 134 zusammengefahren. Die Werkzeugstellung in 9A entspricht somit der Werkzeugstellung in 1.
In der in 9B dargestellten Werkzeugstellung schließt das Formwerkzeug 100, das Matrizenwerkzeug 110 fährt herunter und schließt mit dem hochgefahrenen äußeren Werkzeugteil (Blechhalter) 132 und der Werkzeugeinsatz (Stempeleinsatz) 134 ist zusammengefahren. Die Werkzeugstellung in 9B entspricht somit der Werkzeugstellung in 3A.
In der in 9C dargestellten Werkzeugstellung ist das Formwerkzeug 100 geschlossen, das äußere Werkzeugteil (Blechhalter) 132 ist auf UT (unterer Totpunkt), der Werkzeugstempel 160 ist auf UT und der Werkzeugeinsatz (Stempeleinsatz) 134 ist im Arbeitshub. Die Werkzeugstellung in 9C entspricht somit der Werkzeugstellung in 4.
In der in 9D dargestellten Werkzeugstellung ist das Formwerkzeug 100 geschlossen, das äußere Werkzeugteil (Blechhalter) 132 ist auf UT (unterer Totpunkt), der Werkzeugstempel 160 ist auf UT und der Werkzeugeinsatz (Stempeleinsatz) 134 ist gespreizt. Die Werkzeugstellung in 9D entspricht somit der Werkzeugstellung in 5, wobei die Spreizung des Werkzeugeinsatzes 134 in der Längsschnittdarstellung nicht sichtbar ist.
In dieser Phase müssen die für eine dauerhafte Verbindung des Faserverbundwerkstoff-Patches mit dem Blechbauteil benötigten Vorgaben in Bezug auf Temperatur, Haltezeit und Druck erfüllt sein. Diese sind je nach verwendetem Faserverbundwerkstoff-Patch (z.B. Harzgehalt, Faservolumengehalt, Einzellagendicke) unterschiedlich und können auch von der Bauteilgröße abhängen. Je höher die Temperatur und je höher der Druck desto kürzere Haltezeiten im Werkzeug sind realisierbar. Beispielsweise kann die Temperatur im Härtungszyklus zwischen 110°C und 220°C, bevorzugt zwischen 150°C und 210°C bei deutlich verkürzten Haltezeiten zwischen beispielsweise 2 s bis 60 s, bevorzugt 5 s bis 30 s betragen. Der minimale Flächenanpressdruck kann zwischen 1 bar und 10 bar liegen und kann beispielsweise überall im Verbindungsbereich zwischen dem Faserverbundwerkstoff-Patch und dem Blechbauteil gleich oder größer als 3 bar oder 5 bar oder 7 bar oder 9 bar sein. Mittels der Erfindung können somit solche hohen Flächenpressdrücke über die gesamte Bauteilgeometrie im Verbindungsbereich - insbesondere auch an den Bauteilflanken - garantiert werden. Dadurch lässt sich eine prozesssicherere und schnellere Bauteilfertigung als bisher erreichen.
Die in den 9A-9D anhand des Formwerkzeugs 100 veranschaulichen unterschiedlichen Stadien des Herstellungsprozesses lassen werden bei einer Verwendung des Formwerkzeugs 100' ebenfalls durchlaufen. Anstelle eines seitlichen Aufspreizens der wenigstens zwei seitlich voneinander wegbewegbaren Teile 134_1, 134_2 des Werkzeugeinsatzes 134 erfolgt jedoch ein seitliches zueinander hin Bewegen (Zusammenfahren) der wenigstens zwei bewegbaren Teile 116_1, 116_2 des vom Matrizenwerkzeug 110' umfassten Werkzeugschiebers 116 (siehe 3B), um dadurch in einem Bereich, in welchem sich das Faserverbundwerkstoff-Patch befindet, eine Erhöhung der seitlichen Flächenpressung zu bewirken.
Sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die zur Erhöhung der seitlichen Flächenpressung beweglichen Teile des Formwerkzeugs beim Aufspreizen (Werkzeugeinsatz) bzw. Zusammenfahren (Werkzeugschieber) typischer Weise weder eine (signifikante) Umformung des Blechbauteils noch subtraktive Arbeitsprozesse, die Werkstoff partiell oder in ganzen Bereichen entfernen (wie beispielsweise Lochen, Beschneiden) am Blechbauteil vornehmen.

Claims

Formwerkzeug zum Herstellen eines Hybridbauteils, das ein Blechbauteil und ein daran angebrachtes Faserverbundwerkstoff-Patch umfasst, mit einem Matrizenwerkzeug und einem Stempelwerkzeug, zwischen welchen das Hybridbauteil hergestellt wird, wobei das Stempelwerkzeug ein äußeres Werkzeugteil und einen relativ zum äußeren Werkzeugteil beweglichen Werkzeugeinsatz aufweist, wobei (A) der Werkzeugeinsatz wenigstens zwei seitlich voneinander wegbewegbare Teile aufweist, die bei geschlossenem Formwerkzeug und im äußeren Werkzeugteil vorgeschobenem Werkzeugeinsatz seitlich aufgespreizt oder aufspreizbar sind um dadurch in einem Bereich, in welchem sich das Faserverbundwerkstoff-Patch befindet, eine Erhöhung der seitlichen Flächenpressung zu bewirken, oder (B) das Matrizenwerkzeug einen Werkzeugschieber mit wenigstens zwei seitlich zueinander hin bewegbaren Teilen aufweist, die bei geschlossenem Formwerkzeug und im äußeren Werkzeugteil vorgeschobenem Werkzeugeinsatz seitlich zueinander hingeschoben oder hinschiebbar sind und dadurch in einem Bereich, in welchem sich das Faserverbundwerkstoff-Patch befindet, eine Erhöhung der seitlichen Flächenpressung bewirken.
Formwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Matrizenwerkzeug eine Bauteilkonturfläche aufweist, an welcher das Blechbauteil konturfolgend umgeformt wird.
Formwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei geschlossenem Formwerkzeug das Blechbauteil in einem Bereich außerhalb des Faserverbundwerkstoff-Patches zwischen dem Matrizenwerkzeug und dem äußeren Werkzeugteil des Stempelwerkzeugs festgehalten wird.
Formwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine Schrägflächenmechanik, die ausgelegt ist, beim oder nach dem Vorschieben des Werkzeugeinsatzes die seitlich voneinander wegbewegbaren Teile des Werkzeugeinsatzes auseinanderzuspreizen und/oder die seitlich zueinander hin bewegbaren Teile des Werkzeugschiebers zueinander hin zu bewegen.
Formwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine mechanische Krafterzeugungseinrichtung, insbesondere Hydraulik, die ausgelegt ist, die seitlich voneinander wegbewegbaren Teile des Werkzeugeinsatzes beim oder nach dem Vorschieben desselben auseinanderzuspreizen und/oder die seitlich zueinander hin bewegbaren Teile des Werkzeugschiebers beim oder nach dem Vorschieben des Werkzeugeinsatzes desselben zueinander hin zu bewegen.
Formwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Werkzeugeinsatz ausgelegt ist, in einer ersten Phase des Vorschiebens des Werkzeugeinsatzes im äußeren Werkzeugteil eine Umformung des Blechbauteils gemeinsam mit dem Faserverbundwerkstoff-Patch zu bewirken, wobei erst in einer zweiten Phase des Vorschiebens des Werkzeugeinsatzes im äußeren Werkzeugteil die seitliche Aufspreizung der Teile des Werkzeugeinsatzes und/oder das zueinander hin Bewegen der Teile des Werkzeugschiebers beginnt.
Formwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Teile des Werkzeugeinsatzes und/oder die Teile des Werkzeugschiebers einen Bewegungsweg von gleich oder mehr als 0,2 mm oder 0,5 mm oder 1,0 mm und/oder weniger als 5,0 mm oder 2, 0 mm oder 1,0 mm aufweisen.
Formwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Formwerkzeug ohne Werkzeugdichtungen im Randbereich einer Kavität, in welcher sich das Faserverbundwerkstoff-Patch befindet, ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils, das ein Blechbauteil und einen daran angebrachten Faserverbundwerkstoff-Patch umfasst, welches umfasst: Legen des Faserverbundwerkstoff-Patches und einer Blechplatine auf ein Stempelwerkzeug, welches ein äußeres Werkzeugteil und einen relativ zum äußeren Werkzeugteil beweglichen Werkzeugeinsatz aufweist; Bewegen eines Matrizenwerkzeugs in Anlage an die Blechplatine; Vorschieben des Werkzeugeinsatzes relativ zum äußeren Werkzeugteil, wobei die Blechplatine und das Faserverbundwerkstoff-Patch gemeinsam umgeformt werden; und (A) seitliches Aufspreizen von wenigstens zwei seitlich voneinander wegbewegbaren Teilen des Werkzeugeinsatzes, um dadurch in einem Bereich, in welchem sich das Faserverbundwerkstoff-Patch befindet, eine Erhöhung der seitlichen Flächenpressung zu bewirken, oder (B) seitliches zueinander hin Bewegen von wenigstens zwei bewegbaren Teilen eines vom Matrizenwerkzeug umfassten Werkzeugschiebers, um dadurch in einem Bereich, in welchem sich das Faserverbundwerkstoff-Patch befindet, eine Erhöhung der seitlichen Flächenpressung zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das seitliche Aufspreizen durch das Vorschieben des Werkzeugeinsatzes bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Vorschieben des Werkzeugeinsatzes durch den Pressenhub gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Aufspreizen der wenigstens zwei Teile des Werkzeugeinsatzes und/oder das seitliche zueinander hin Bewegen der wenigstens zwei Teile des Werkzeugschiebers durch eine Schrägflächenmechanik oder durch eine mechanische Krafterzeugungseinrichtung, insbesondere Hydraulik, gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Faserverbundwerkstoff-Patch im geschlossenen Formwerkzeug durch Wärmezufuhr ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Hybridbauteil ein Kraftfahrzeug-Strukturteil, insbesondere ein Rahmenteil, eine B-Säule oder ein Querlenker ist.