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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensional umgeformten Bauteilen, die mit einem metallischen Blech und mindestens einem metallischen Verstärkungselement gebildet sind. Als Verstärkungselement kann man ebenfalls metallische Bleche mit entsprechend angepassten Randkonturen aber auch dreidimensionale Halbzeuge einsetzen, wobei letztgenannte möglichst eine ebene planare Oberfläche aufweisen sollten, an der stoffschlüssige Verbindungen mit dem jeweiligen metallischen Blech ausgebildet werden können.
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Die Erfindung kann in allen Bereichen der Industrie eingesetzt werden bei denen die Anforderung besteht, Blechbauteile lokal durch ein weiteres Blechbauteil zu verstärken oder allgemein zwei ebene Blechbauteile miteinander großflächig stoffschlüssig zu verbinden. Besonders geeignete Einsatzgebiete sind:
- → Automobilindustrie: Karosseriebau
- → Schienenfahrzeugbau, Waggonbau
- → Nutzfahrzeugbau.
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Zur lokalen Verstärkung von Strukturbauteilen aus Blechen werden aktuell sogenannte Patchwork-Blanks eingesetzt. Dabei wird bereits vor der Blechumformung auf die ebene Blechplatine ein weiteres ebenes Blech aufgeschweißt und die so entstehende Verbundplatine (oder Patchworkplatine) anschließend einem Umformprozess zugeführt. Der nachfolgende Umformprozess kann u.a. eine Warmumformung sein. Aktuell werden die beiden Platinen (Grundplatine + Verstärkungspatch) mittels Widerstandspunktschweißen (WPS) durch eine große Anzahl von einzelnen Punkten, die über die Flächen der beiden Bleche verteilt angeordnet sind, verschweißt, um einerseits während er Umformung ein Ablösen oder eine Relativbewegung der Bleche zueinander zu verhindern und andererseits nach der erfolgten Umformung im Bauteil einen optimalen Verstärkungseffekt zu erzielen. Die Herstellung der sehr vielen Schweißpunkte ist sehr zeitaufwändig und ineffizient (Pro Schweißpunkt ca. 1s). Des Weiteren bereiten die durch den Punktschweißprozess entstehenden und nicht zu vermeidenden Beschädigungen und Aufwürfe der Blechoberfläche Probleme beim nachfolgenden Umformprozess, die zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß der eingesetzten Umformwerkzeuge führen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Herstellung dreidimensional umgeformter verstärkter Bauteile anzugeben, mit denen die Produktivität und die Lebensdauer von Umformwerkzeugen erhöht werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in abhängigen Ansprüchen angeführten Merkmalen realisiert werden.
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Die Erfindung umfasst ein neues und bedeutend effektiveres Fügeverfahren zur Realisierung einer großflächigen Verbindung zwischen einem metallischen Blech und mindestens einem metallischen Verstärkungselement, die vor der dreidimensionalen Umformung miteinander verbunden werden. Diese Fügepartner sollen dabei in einem vorzugsweise ebenen, großflächigen Verbindungsbereich punktuell an vorgegebenen Positionen miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Dies kann u.a. zur Lösung der oben beschriebenen Problemstellung für das Fügen eines Bleches als Grundplatine und einem oder mehreren Verstärkungselement(en) genutzt werden.
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Bei dem Verfahren wird so vorgegangen, dass bei einem ersten Verfahrensschritt i) an vorgegebenen Positionen einer Oberfläche des metallischen Bleches Erhebungen durch einen lokal definierten Energieeintrag und/oder durch ein Auftragsschweißen mit Zusatzwerkstoff ausgebildet werden. Das Auftragsschweißen kann mit an sich bekannten Lichtbogenschweißverfahren oder mittels Laserstrahlschweißen und zugeführtem Zusatzwerkstoff durchgeführt werden.
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Im Anschluss daran wird bei einem zweiten Verfahrensschritt ii) das mindestens eine metallische Verstärkungselement auf die Oberfläche des metallischen Bleches, an der die Erhebungen ausgebildet worden sind, aufgesetzt und bei einem dritten Verfahrensschritt iii) werden mit mindestens einer Unterelektrode, die mit der Oberfläche des metallischen Bleches, die der Oberfläche an der Erhebungen ausgebildet worden sind, gegenüberliegend angeordnet ist, und mindestens eine Oberelektrode mit der Oberfläche des mindestens einen metallischen Verstärkungselements, die der Oberfläche an der das mindestens eine metallische Verstärkungselement an den Erhebungen anliegt, abgewandt ist, in elektrischen leitenden Kontakt gebracht. Dadurch werden das metallische Blech und das mindestens eine metallische Verstärkungselement durch elektrisches Widerstandschweißen im Bereich der Erhebungen punktuell stoffschlüssig miteinander verbunden. Dabei fließt ein elektrischer Strom von einer elektrischen Spannungsquelle von der Ober- zur Unterelektrode durch das metallische Blech und das mindestens eine metallische Verstärkungselement, der zur Ausbildung punktförmiger Schweißverbindungen im Bereich von Erhebungen führt.
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Im Anschluss daran wird bei einem vierten Verfahrensschritt iv) eine dreidimensionale Umformung für den Erhalt eines fertig hergestellten Bauteils an den lokal definiert miteinander verbundenen metallischen Blech und dem mindestens einen metallischen Verstärkungselement mit mindestens einem Umformwerkzeug durchgeführt. Die Umformung kann ggf. mehrstufig mit mehreren Umformwerkzeugen bzw. als Warm- oder Kaltumformung durchgeführt werden.
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Bei dem ersten Verfahrensschritt i) kann ein lokal definierter Energieeintrag zur Ausbildung von Erhebungen mit mindestens einem definiert zweidimensional auslenkbaren Laserstrahl durchgeführt werden. Der Laserstrahl kann dazu ausgehend von einer Laserstrahlquelle auf ein in zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Achsen verschwenkbares reflektierendes Element oder in seinem Strahlengang zwei nacheinander angeordnete reflektierende Elemente, die um jeweils ein senkrecht zur Achse des jeweils anderen reflektierenden Elements verschwenkbare reflektierende Elemente gerichtet und so auf vorgegebene Positionen der jeweiligen Oberfläche des metallischen Blechs auftreffen, um dort Erhebungen auszubilden. Üblicherweise bezeichnet man einen solchen optischen Aufbau zur Auslenkung von Laserstrahlen Scanneroptiken.
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Während der Durchführung des ersten Verfahrensschritts i) können an mindestens zwei sich diametral gegenüberliegenden Kantenflächen Druckkräfte ausgeübt werden. Dazu kann man das metallische Blech an zwei sich gegenüberliegend angeordneten Seiten einspannen und die Druckkräfte von mindestens einer Seite, beispielsweise mittels Kolben-Zylinderanordnung oder Linearmotoren in das metallische Blech einleiten. Durch den lokal definierten Energieeintrag des Laserstrahls bilden sich mechanische Spannungen bei den Temperaturwechseln zur Erwärmung und Abkühlung, die insbesondere bei metallischen Blechen mit geringer Blechdicke dazu führen, dass an den vorab bestrahlten vorgegebenen Positionen Erhebungen durch spannungsbedingt initiierte Verformung ausgebildet werden.
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Alternativ dazu kann bei der Durchführung des ersten Verfahrensschritts i) auch so vorgegangen werden, dass das metallische Blech mit seiner Oberfläche, die der Oberfläche an der Erhebungen ausgebildet werden, gegenüber liegend angeordnet ist, auf eine Oberfläche eines Umformwerkzeuges, an der entsprechend den lokal definierten Positionen Erhebungen ausgebildet sind, aufgesetzt und eine Druckkraft dabei ausgeübt wird, so dass an den vorgegebenen Positionen infolge des mit dem mindestens einen Laserstrahl erfolgten lokal definierten Energieeintrags in das metallische Blech Erhebungen durch Verformung am metallischen Blech in Oberflächenbereichen, die mittels der Energie des Laserstrahls erwärmt worden sind, ausgebildet werden können.
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Bei diesen beiden hier vorab beschriebenen Alternativen zur Ausbildung von Erhebungen kommt es an der gegenüberliegenden Oberfläche des metallischen Blechs zwar auch zu Verformungen. Diese sind aber gratfreie Vertiefungen, die bei der Umformung gemäß viertem Verfahrensschritt iv) das jeweilige Umformwerkzeug nur sehr geringfügig und weit weniger als die bekannten Punktschweißverbindungen beeinträchtigen.
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Beim ersten Verfahrensschritt i) sollten Erhebungen ausgebildet werden, die mit einer Höhe im Bereich 0,1 mm bis 0,5 mm, bevorzugt bis 0,4 mm über die jeweilige Oberfläche des metallischen Bleches überstehen, an der die Erhebungen ausgebildet werden.
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Vorteilhaft kann/können beim dritten Verfahrensschritt iii) eine Oberelektrode und/oder eine Unterelektrode eingesetzt werden, die aus mehreren einzelnen Segmenten, die jeweils einzeln an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen sind und zu Oberflächenbereichen an denen Erhebungen ausgebildet worden sind, positioniert werden, eingesetzt werden. Dabei kann erreicht werden, dass ein elektrischer Stromfluss durch das metallische Blech und das mindestens eine metallische Verstärkungselement im Wesentlichen nur im Bereich von Erhebungen erfolgen kann. Dazu kann eine Ober- und/oder eine Unterelektrode so segmentiert sein, dass einzelne Segmente nur eine vorgegebene geringe Anzahl von Erhebungen in einem Oberflächenbereich elektrisch kontaktieren, wenn die jeweiligen Schweißverbindungen durch elektrisches Widerstandsschweißen ausgebildet werden.
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Die Erfindung hat den wesentlichen Vorteil, dass die Oberflächen des metallischen Blechs und des mindestens einen metallischen Verstärkungselements, die mit einem Umformwerkzeug bei der dreidimensionalen Umformung in Kontakt treten, frei von Erhebungen sind, so dass es wenn überhaupt nur einem geringen Werkstoffabtrag also zu einem deutlich reduzierten Verschleiß kommen kann.
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Das beim dritten Verfahrensschritt iii) eingesetzte Widerstandsschweißverfahren kann man auch als Buckelschweißen bezeichnen. Dabei soll das Verfahren so genutzt werden, dass mit einem einzigen Schweißvorgang mit einer Prozesszeit von maximal 1 Sekunde, sofort eine großflächige Verbindung zwischen den mindestens zwei Fügepartnern metallisches Blech und metallisches Verstärkungselement hergestellt werden kann. Bezogen auf das eingangs genannte Anwendungsbeispiel, der Herstellung von Patchworkplatinen, wäre das Anschweißen eines Verstärkungspatches mit einem einzigen, zeitlich sehr kurzen Schweißvorgang möglich. Um dieses Verfahren für das Verbinden von zwei völlig ebenen Flächen nutzen zu können, ist es zwingend erforderlich lokal definiert Erhebungen, sogenannte Buckel, an einem der beiden Fügepartner auszubilden. Insbesondere in der o.g. Anwendung für die Herstellung von Patchworkplatinen ist es nicht vorteilhaft, diese Erhebungen, wie sonst üblich, mittels eines mechanischen Prägevorgangs einzubringen, da dies einen aufwändigen zusätzlichen Prozessschritt darstellt, der insbesondere bei der großen Anzahl an erforderlichen Erhebungen sehr viel Zeit kosten oder ein großes Werkzeug benötigt würde. Ein weiterer Nachteil ist der Verlust der beidseitigen Ebenheit von metallischem Blech und metallischem Verstärkungselement durch einen reinen mechanischen Prägevorgang, wie er nach dem Stand der Technik üblich ist, was wiederum einen erhöhten Werkzeugverschleiß zur Folge hätte.
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Deshalb können für das schnelle Ausbilden der Erhebungen keine herkömmlichen umformenden Verfahren, sondern oberflächenmodifizierende oder insbesondere auftragende Verfahren genutzt werden, die die gegenüberliegende Blechseite, an der keine Erhebungen ausgebildet werden, idealerweise überhaupt nicht oder nur sehr gering beeinflussen. Eine Möglichkeit besteht darin, durch einen Laserprozess noppenartige Erhebungen an einer Oberfläche eines metallischen Bleches mit einem Auftragsschweißverfahren auszubilden.
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Solche Lasernoppen oder Laserstrukturen werden üblicherweise genutzt, um definierte Spalte zwischen zwei anliegenden Blechen sicherzustellen (siehe
DE10 2004 005 358 B4 . Für die Anwendung zum Buckelschweißen können Erhebungen mit einer erforderlichen Prozesszeit für eine einzelne so ausgebildete Erhebung zwischen 30 ms und 180 ms eingehalten werden. Bei Verwendung einer Scanneroptik, mit der ein Laserstrahl definiert zu vorgegebenen Positionen ausgelenkt werden kann, kann diese Positionierzeit zwischen den einzelnen Erhebungen vernachlässigt werden. Mit dieser Technik kann eine nahezu beliebige Verteilung und Dichte der Erhebungen auf der Oberfläche eines metallischen Bleches realisiert werden, ohne dabei die Taktzeit der nachfolgenden Prozesse zu überschreiten. Die Verteilung und Anordnung der Erhebungen kann dabei so eingestellt werden, dass eine hinsichtlich der späteren Belastung oder den Bedürfnissen des Umformprozesses optimale angepasste Verbindung zwischen dem metallischen Blech und dem mindestens einen metallischen Verstärkungselement entsteht. Das Ausbilden der Erhebungen ist aufgrund der kurzen Prozesszeit völlig taktzeitneutral (der Umformprozess dauert länger) und kann auch an einem bewegten noch nicht umgeformten Bauteil als Halbzeug, d.h. z.B. auch während des Teiltransportes erfolgen, die jeweiligen metallischen Bleche, an denen Erhebungen ausgebildet werden sollen, müssten lediglich an einer oder mehreren Laserscanneroptik(en) vorbei bewegt werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung der notwendigen lokalen Erhebungen besteht, wie bereits angesprochen in der Nutzung eines Auftragsschweißverfahrens. Hierbei sollten Verfahren genutzt werden, die eine schnelle Aufschweißung von lokalen idealerweise kreisförmigen Erhebungen ermöglichen. Geeignet wären hierzu beispielsweise Lichtbogenschweißverfahren, insbesondere Prozessmodifikationen, die das Aufschweißen kleiner punktförmiger Schweißpunkte ermöglichen (z.B. das CMT-Printen das von der Firma Fronius entwickelt worden ist) oder Laserstrahlprozesse mit drahtförmigen Zusatzwerkstoff.
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Nach der Vorbereitung einer der zu fügenden Oberflächen an der Erhebungen ausgebildet worden sind, kann der eigentliche Schweißprozess zur Verbindung von metallischem Blech und dem mindestens einen metallischen Verstärkungselement mittels Widerstandsbuckelschweißen mit einer ebenen Ober- und Unterelektrode erfolgen. Diese beiden Elektroden können den gesamten Schweißbereich mit den eingebrachten Erhebungen (Buckel) abdecken. Zur Realisierung eines optimalen elektrischen Stromflusses und um unerwünschte Nebenschlüsse zu verhindern, kann es vorteilhaft sein, anstatt einer großen Elektrode, die Fläche in mehrere einzelne Flächenelektroden zu segmentieren. Dies würde auch den elektrischen Strombedarf pro Schweißsegment verringern und die elektrische Stromeinspeisung über mehrere Schweißmaschinen erleichtern. Prinzipiell wäre es auch möglich den Schweißvorgang direkt in einen Umformpress zu integrieren, in dem man Ober- und Unterelektrode(n) gleichzeitig als Umformwerkzeug nutzt.
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Das Verfahren kann aber auch so durchgeführt werden, dass der Verfahrensschritt eins i) an einer Oberfläche des metallischen Verstärkungselements, die bevorzugt eben und planar ist, anstelle der Oberfläche des metallischen Blechs zur Ausbildung der Erhebungen ausgeführt wird.
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Mit der Erfindung kann die Verbindungsanzahl und damit die Anbindungsbreite beliebig, durch eine angepasste Anzahl und Anordnung von auszubildenden Erhebungen, eingestellt werden. Es kann eine taktzeitneutrale Ausbildung der Fügeverbindung erreicht werden, da die Anzahl der Verbindungspunkte an den Erhebungen die Gesamtprozesszeit nur minimal beeinflusst. Es erfolgt keine oder nur minimale Beeinflussung der außenliegenden Oberflächen, die später mit einer Oberfläche eines Umformwerkzeugs in Kontakt treten. Der Fügeprozess von metallischem Blech und metallischen Verstärkungselement(en) kann in eine Umformpresse integriert werden
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden.
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Dabei zeigt:
- 1 in schematischer Form Durchführungsmöglichkeiten der Verfahrensschritt i) bis iii).
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Bei dem ersten Verfahrensschritt i), wie er links in 1 gezeigt ist, erfolgt die Ausbildung von Erhebungen an einer Oberfläche eines metallischen Blechs 1 unter Nutzung eines Laserstrahls 5, der mit einer Scanneroptik 7 auf vorgegebene Positionen der in Richtung Scanneroptik 7 weisenden Oberfläche des metallischen Blechs 1 gerichtet wird. An den vorgegebenen Positionen werden so Erhebungen lokal definiert ausgebildet. Diese Positionen können in Abhängigkeit der Belastungen, denen ein fertig umgeformtes Bauteil während seines Einsatzes und/oder während des dreidimensionalen Umformprozesses ausgesetzt ist, vorbestimmt werden. Der Laserstrahl 5 wird dann so ausgelenkt, dass sein Brennfleck an den vorgegebenen Positionen einen Energieeintrag entweder direkt in den Werkstoff des metallischen Blechs 1 und/oder eines Zusatzwerkstoffs für ein Auftragsschweißen zur Ausbildung von Erhebungen bewirken kann. Dabei kann das metallische Blech 1 bevorzugt kontinuierlich an der Scanneroptik 7 vorbei bewegt werden.
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Nach dem alle Erhebungen auf der entsprechenden Oberfläche des metallischen Blechs 1 ausgebildet worden sind, wird bei diesem Beispiel ebenfalls ein Blech als metallisches Verstärkungselement 2 auf der Oberfläche des metallischen Blechs 1 mit den Erhebungen aufgesetzt, so dass die Erhebungen mit der entsprechenden Oberfläche des metallischen Verstärkungselements 2 in direktem Kontakt miteinander stehen.
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In der Mitte von 2 ist der dritte Verfahrensschritt iii) verdeutlicht. Nach dem Positionieren des metallischen Verstärkungselements 2 in Bezug zum metallischen Blech 1 gemäß zweitem Verfahrensschritt ii) werden die mit der elektrischen Spannungsquelle 6 jeweils einteilig ausgebildete Oberelektrode 3 und Unterelektrode 4 gegen die nach außen weisenden Oberflächen des metallischen Blechs 1 und des metallischen Verstärkungselements 2 von gegenüberliegend angeordneten Seiten gedrückt, so dass Oberflächen von Erhebungen mit der entsprechenden Oberfläche des metallischen Verstärkungselements 2 kontaktiert werden und dort eine elektrischer Stromfluss erfolgt. Damit werden punktförmige Schweißverbindungen 9 durch elektrisches Widerstandsschweißen im Bereich von Erhebungen ausgebildet, mit denen metallisches Blech 1 und metallisches Verstärkungselement 2 stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
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In nicht gezeigter Form kann auch mindestens eine der zwei Elektroden 3 und/oder 4 aus mehreren einzelnen Segmenten gebildet sein, die jeweils einzeln an die elektrische Spannungsquelle 6 oder jeweils eine eigene elektrische Spannungsquelle angeschlossen sind. Mit einem Segment können dann eine bestimmte Anzahl von Erhebungen in einem gemeinsamen Oberflächenbereich abgedeckt und damit dann punktförmige Schweißverbindungen 9 in diesem Oberflächenbereich mittels elektrischem Stromfluss vom jeweiligen Segment der einen Elektrode 3 oder 4 zu der anderen Elektrode oder einem Segment der anderen Elektrode durch den Werkstoff von metallischem Blech 1 und metallischem Verstärkungselement 2 ausgebildet werden.
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Ein so vorbereitetes Halbzeug ist in der rechten Darstellung von 1 gezeigt. Dieses kann bei dem vierten Verfahrensschritt iv) in nicht gezeigter Form auf an sich herkömmliche Weise dreidimensional umgeformt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004005358 B4 [0019]
