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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumdruckgussstruktur, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Erzeugen einer Gussstruktur durch Einleiten von flüssigem Aluminium in ein Gusswerkzeug, wobei mindestens ein Innenkern vorgesehen ist, mit welchem zumindest in einem Abschnitt eine Profilstruktur mit geschlossenem Querschnitt in der zu erzeugenden Gussstruktur ausgebildet wird, - Erstarren lassen des flüssigen Aluminiums und Erhalten der Gussstruktur, - Entfernen des Innenkerns aus dem Abschnitt des geschlossenen Querschnitts der Gussstruktur, wobei der geschlossene Querschnitt in Längserstreckung der Profilstruktur im Wesentlichen längskonstant oder verjüngend ausgeführt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Aluminiumdruckgussstruktur sowie eine Verwendung.
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Fahrzeugstrukturen sind heute üblicherweise aus einer Vielzahl von Einzelbauteilen aus Stahl oder Aluminium hergestellt, welche mittels geeigneter Fügetechnologien zu Baugruppen und Modulen, wie zum Beispiel einem Hinter- oder Vorderwagen, zusammengeschweißt werden müssen.
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Für den Zusammenbau ist ein erheblicher Zeit- und Kostenaufwand erforderlich, außerdem gibt es durch die Vielzahl der Bauteile hohe Anforderungen an das Toleranzmanagement und damit auf die Maßhaltigkeit und Qualität des Fahrzeugs.
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Um diesen Effekten entgegenzuwirken gibt es die Bestrebung, möglichst viele Bauteile zu einem einzigen zusammenzufassen. Hierzu wird aktuell das Aluminium-Druckgussverfahren eingesetrt, vgl.
DE 10 2009 004 154 A1 .
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Nachteil des Verfahrens ist, das geschlossene steife Profile bisher nur eingeschränkt mittels Druckguss herstellbar sind. Abgebildet werden Profile durch Umspritzen eines Kerns, der nach dem Abkühlen des Gusses gezogen werden kann. Damit dieser entformbar bleibt, muss der Kern gerade herausgezogen werden können, die Querschnittsgeometrie darf für die Entformung nicht hinterschnittig sein, der Querschnitt muss also gleichbleibend oder sich leicht verjüngend ausgeführt sein.
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Alternativ zu geschlossenen Profilen wird auf offene Strukturen, die zur Erlangung der geforderten Steifigkeit aber deutlich dicker bzw. stark verrippt dargestellt werden müssen, vgl. https://teslamag.de/news/exklusiv-tesla-deutsches-model-y-vorderes-rahmen-teil-guss-an-einem-stueck-29990. Hierdurch entsteht ein massiver Gewichtsnachteil der offenschaligen Bauweise gegenüber Bauweisen welche geschlossene Profile einsetzen können.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumdruckgussstruktur anzugeben, mit welchem eine im Vergleich zum Stand der Technik steife und dennoch gewichtsreduzierte Aluminiumdruckgussstruktur zu günstigen Herstellungskosten gefertigt werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumdruckgussstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere Ausführungen sind in den nachgeordneten Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einer ersten Lehre betrifft die Erfindung ein einer Aluminiumdruckgussstruktur, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Erzeugen einer Gussstruktur durch Einleiten von flüssigem Aluminium in ein Gusswerkzeug, wobei mindestens ein Innenkern vorgesehen ist, mit welchem zumindest in einem Abschnitt eine Profilstruktur mit geschlossenem Querschnitt in der zu erzeugenden Gussstruktur ausgebildet wird, - Erstarren lassen des flüssigen Aluminiums und Erhalten der Gussstruktur, - Entfernen des Innenkerns aus dem Abschnitt des geschlossenen Querschnitts der Gussstruktur, wobei der geschlossene Querschnitt in Längserstreckung der Profilstruktur im Wesentlichen längskonstant oder verjüngend ausgeführt ist, wobei zumindest im Abschnitt der Profilstruktur durch mindestens ein Formen in zumindest einem Teilabschnitt in Längserstreckung der Profilstruktur ein hinterschnittiger Querschnitt erzeugt und so die Aluminiumdruckgussstruktur erhalten wird.
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Die Erzeugung eines hinterschnittigen Querschnitts in einem geschlossenen Querschnitt in einer Gussstruktur ist nicht bzw. nur schwer möglich, insbesondere zumindest bei komplexen hinterschnittigen Querschnitten, da entsprechende Kerne vorgesehen werden müssten, die geometriebedingt keine ausreichende Stützung über den gesamten Umfang der Profilsstruktur während der Erzeugung der Gussstruktur sicherstellen könnten und schlussendlich final nicht gezogen werden könnten.
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Durch das zumindest im Abschnitt der Profilstruktur durch mindestens ein Formen in zumindest einem Teilabschnitt in Längserstreckung der Profilstruktur erzeugte hinterschnittige Querschnitt wird eine Aluminiumdruckgussstruktur erhalten, welche steif und dennoch gewichtsreduziert ausgeführt werden kann. Die Kombination aus Druckgießen und anschließendem Formen ermöglicht Freiheitsgrade, die zu unerwarteten Möglichkeiten in der Konzipierung von steifen und gewichtsoptiertem Komponenten führen kann.
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Hinterschnittig bedeutet, dass in dem betroffenen Teilabschnitt ein Vorzeichenwechsel im Querschnitt stattfindet, heißt, entweder der Querschnitt wird kleiner und dann wieder größer oder der Querschnitt wird größer und dann wieder kleiner (in Längserstreckung betrachtet).
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Das mindestens eine Formen bewirkt somit eine Änderung in zumindest einem Teilabschnitt des geschlossenen Querschnitts der im Guss erzeugten Profilstruktur.
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Das Herstellen von Gussteilen aus Aluminium im Aluminiumdruckgussverfahren ist Stand der Technik.
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Mit Aluminium sind alle gängigen Aluminiumlegierungen, welche zum Druckgießen geeignet sind, anwendbar und dem Fachmann geläufig.
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Je nach Anwendung und herzustellender Komponente sind entsprechende Gussformen zu konzipieren.
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Gemäß einer Ausgestaltung erfolgt das Formen durch ein Biegen der Profilstruktur. Das Biegen, oder auch Umformbiegen genannt, wirkt dermaßen auf die Profilstruktur, dass eine Änderung im Vergleich zur Gussstruktur in axialer Richtung resultiert.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann das Formen durch ein Einbringen eines Mediums in die Profilstruktur mit geschlossenem Querschnitt erfolgen und/oder unterstütrt werden. Insbesondere wird während des Formens das Medium in dem geschlossenen Querschnitt unter Druck gesetzt und/oder gehalten. Bevorzugt erfolgt eine Kombination aus Formen respektive Biegen und Einbringen eines Mediums in die Profilstruktur, wobei der Druck des Mediums derart gesteuert wird, dass das Biegen keine wesentliche Querschnittsänderung entlang der Längserstreckung der Profilstruktur bewirkt, und dadurch der Querschnitt in Längserstreckung im Wesentlichen beibehalten wird und lediglich der Verlauf der Profilstruktur in seiner axialen Richtung geändert wird. Besonders bevorzugt erfolgt das medienunterstützte Biegen in einem Werkzeug.
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Gemäß einer Ausgestaltung erfolgt das Formen durch ein unter Druck stehendes Medium in die Profilstruktur mit geschlossenem Querschnitt und es wird eine Querschnittsänderung entlang der Längserstreckung der Profilstruktur bewirkt. Diese Art des Formens entspricht beziehungsweise ist ein Innenhochdruckumformen (IHU). IHU-Verfahren zum Formen von Aluminiumprofilen mit geschlossenem Querschnitt sind Stand der Technik und hier entsprechend anwendbar. Somit sind der Gestaltung, insbesondere die Ausführung des hinterschnittigen Querschnitts zumindest in einem Teilabschnitt der Profilstruktur kaum Grenzen gesetzt.
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Die IHU kann alleine als Formen nach dem Druckgießen erfolgen oder bevorzugt als weiterer (Form-)Schritt, insbesondere nach dem Biegen beziehungsweise nach dem medienunterstützten Biegen durchgeführt werden. So kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung das Formen in zwei Schritten und in zwei voneinander unterschiedlichen Werkzeugen erfolgen.
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Gemäß einer Ausgestaltung wird mindestens ein Nebenformelement innerhalb der Längserstreckung der Profilstruktur während oder nach dem Formen eingebracht. Dadurch können weitere Funktionen in der Komponente integriert werden, entweder zu Versteifungszwecken und/oder zur Anbindung von weiteren Komponenten.
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Bei Bedarf kann auch noch ein Kalibrierschritt zur Einhaltung der vorgegebenen Toleranzen durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung werden in die geschlossene Profilstruktur Löcher mit Hilfe des auf das Medium wirkenden Druckes eingebracht.
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Gemäß einer Ausgestaltung werden in der Gussstruktur Aufdickungen zur Materialbevorratung vorgesehen. Diese werden bevorzugt genutzt, um lokale Aufweitungen, wie zum Beispiel für Nebenformelemente, zu realisieren.
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Gemäß einer Ausgestaltung wird die Gussstruktur vor dem Formen erwärmt. Dadurch kann Einfluss auf die finalen Werkstoffeigenschaften genommen werden.
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Die zweite Lehre der Erfindung betrifft eine Aluminiumgussstruktur umfassend mindestens einen Abschnitt, in welchem eine Profilstruktur mit geschlossenem Querschnitt angeordnet ist, wobei der Abschnitt der Profilstruktur zumindest in einem Teilabschnitt in Längserstreckung der Profilstruktur einen hinterschnittigen Querschnitt aufweist.
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Die Aluminiumgussstruktur kann auch zwei oder mehr als zwei Profilstrukturen mit geschlossenem Querschnitt aufweisen, in welchen jeweils zumindest in einem Teilabschnitt in Längserstreckung der Profilstrukturen ein hinterschnittiger Querschnitt vorgesehen ist. Dies kann beispielsweise bei einer Fahrzeugstruktur, beispielsweise eine Struktur als Teil des Vorderwagens, Hinterwagens oder Mittelwagens vorkommen, insbesondere wenn die linke und rechte Seite (in Fahrzeugrichtung) identisch ausgeführt sein sollen.
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Die Profilstruktur in der Aluminiumgussstruktur kann beispielsweise ein Längsträger oder ein Querträger sein. Sind mehrere Profilstrukturen vorgesehen, so können diese als Längsträger und/oder Querträger ausgeführt sein. Beispielsweise umfasst die Aluminiumgussstruktur zwei oder mehrere Längsträger und/oder zwei oder mehrere Querträger, wobei die Längsträger und/oder die Querträger als Profilstrukturen mit geschlossenem Querschnitt ausgebildet sind, welche zumindest in einem Teilabschnitt in Längserstreckung der Profilstrukturen jeweils einen hinterschnittigen Querschnitt aufweisen.
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Die Aluminiumgussstruktur als Komponente oder Modul kann nicht nur integriert Längs- und Querträgerelemente umfassen, sondern optional in Kombination mit integrierten offenen Schalenelementen oder auch mit integrierten flächigen Bereichen, welche beispielsweise einen Fahrzeugboden darstellen, oder beispielsweise eine Aufnahme von Batteriezellen ermöglichen.
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Gemäß einer dritten Lehre der Erfindung wird die Aluminiumgussstruktur in straßengebundenen Fahrzeugen als Fahrzeugstruktur verwendet, insbesondere im Personenfahrzeug, Nutzfahrzeug, Lastkaftwagen. Die Fahrzeugstruktur kann ein komplettes Vorderwagen-Modul oder nur ein Teil davon sein, ein komplettes Mittelwagen-Modul oder nur ein Teil davon sein oder ein komplettes Hinterwagen-Modul oder nur ein Teil davon sein. Alternativ kann auch beispielsweise ein Rahmen, insbesondere ein Leiterrahmen, als Aluminiumdruckgussstruktur ausgebildet sein, mit zwei Längsträgern und mindestens zwei Querträger, wobei die zwei Längsträger und/oder die mindestens zwei Querträger jeweils einen hinterschnittigen Querschnitt aufweisen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung nach dem Erzeugen der Gussstruktur,
- 2 eine schematische Darstellung nach dem ersten Formen und
- 3 eine schematische Darstellung nach dem zweiten Formen und Fertigstellung einer Aluminiumgussstruktur.
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Das Aluminium-Druckgussverfahren ist aus dem Stand der Technik bekannt. Zur Erzeugung einer Gussstruktur (1) kommt ein nicht dargestelltes Druckgusswerkzeug zur Anwendung, in welches flüssiges Aluminium eingeleitet wird. Dabei umfasst das Druckgusswerkzeug eine untere und eine obere Werkzeughälfte mit jeweils einer Gravur, welche dem Abbild der zu erzeugenden Gussstruktur (1) entsprechen. Die untere und obere Werkzeughälfte werden zusammengefahren und das flüssige Aluminium unter Druck in das geschlossene Druckwerkzeug eingeleitet bis die Gravur vollständig mit flüssigem Aluminium gefüllt ist. Um in der zu erzeugenden Gussstruktur zumindest in einem Abschnitt eine Profilstruktur (2,3) mit geschlossenem Querschnitt erzeugen zu können, wird mindestens ein nicht dargestellter Innenkern verwendet, welcher während des Einleitens des flüssigen Aluminiums ein Füllen der zu erzeugenden hohlen Struktur verhindert. Der Innenkern weist in seiner Längserstreckung entweder einen konstanten Außendurchmesser oder einen zu einer Seite verlaufenden verjüngenden Außendurchmesser auf, um aus der erhaltenen Gussstruktur (1) entfernt werden zu können.
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Ist das Druckgusswerkzeug vollständig mit flüssigem Aluminium gefüllt, erfolgt ein Abkühlen, um das flüssige Aluminium erstarren zu lassen und so die Gussstruktur (1) zu erhalten.
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Die hier beispielhaft in 1 dargestellte schematische Darstellung zeigt eine Gussstruktur (1) mit zwei Längsträgern (3) jeweils als Profilstruktur mit geschlossenem Querschnitt, wobei der geschlossene Querschnitt in Längserstreckung der Profilstruktur (3) im Wesentlichen längskonstant oder verjüngend ausgeführt ist, und mit vier Querträger (2), welche entweder als Profilstruktur mit geschlossenem oder aber auch offenem Querschnitt ausgeführt sein können. Nicht dargestellt, kann die Gussstruktur (1) integrierte offene Schalenelemente und/oder auch integrierte flächige Bereiche zwischen den beiden Längsträgern (3) aufweisen.
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In einem nachgelagerten Fertigungsschritt erfolgt ein Formen in Form eines Biegens der Gussstruktur (1). Dabei wird bevorzugt ein Teilbereich der Gussstruktur (1) gebogen, wobei das Biegen zumindest im Abschnitt der Profilstruktur, hier in einem Abschnitt der Längsträger (4), erfolgt. Besonders bevorzugt wird das Biegen durch ein Einbringen eines Mediums in die Längsträger (4) mit geschlossenem Querschnitt unterstützt, wobei während des Biegens das Medium in dem geschlossenen Querschnitt unter Druck gesetzt und/oder gehalten wird. Das Medium kann gasförmig oder flüssig sein. Durch das medienunterstützte Biegen erfolgt beispielsweise keine wesentliche Querschnittsänderung entlang der Längserstreckung der Längsträger (4). Das Biegen wie auch das medienunterstützte Biegen kann in einem nicht dargestellten Werkzeug durchgeführt werden. Das Ergebnis des Biegens ist beispielhaft in der 2 dargestellt.
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In einem weiteren Fertigungsschritt erfolgt ein weiteres Formen durch ein unter Druck stehendes Medium in dem Längsträger (4) mit geschlossenem Querschnitt, welches eine Querschnittsänderung (20) entlang der Längserstreckung dem Längsträger (5) bewirkt. Mittels IHU wird zumindest im Abschnitt des Längsträgers (4) in zumindest einem Teilabschnitt in Längserstreckung des Längsträgers (5) ein hinterschnittiger Querschnitt (20) erzeugt und so die Aluminiumdruckgussstruktur (10) erhalten, s. 3. Um ausreichend Material für die Erzeugung des hinterschnittigen Querschnitts (20) bereitstellen zu können und somit ein Fließen (Aufweiten) zu begünstigen, ohne Ausdünnung oder sonstigen Nachteilen ausschließen zu können, wird dies in der Auslegung der Gussstruktur (1) respektive der Gravur des Gusswerkzeugs berücksichtigt.
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Sollte es für die jeweilige Aluminiumdruckgussstruktur erforderlich sein, zur Einstellung der finalen Werkstoffeigenschaften nach dem Gießen noch eine Wärmebehandlung vorzunehmen, kann das Formen der Struktur während des Wärmebehandlungsprozesses vorgenommen werden, bzw. die eingebrachte Wärme für das Formen mittels Medien genutzt werden.
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Während oder nach dem Formen kann mindestens ein Nebenformelement (21) innerhalb der Längserstreckung der Profilstruktur respektive des Längsträgers (5) und/oder an einer anderen Stelle eingebracht werden.
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Der IHU-Verfahrensschritt kann entweder in einem weiteren (IHU-)Werkzeug oder aber auch in dem Biegewerkzeug, welches für IHU ausgelegt sein kann und entsprechende Gravuren aufweist, erfolgen.
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Final kann ein Kalibrieren auf Fertigmaß im IHU-Verfahrensschritt erfolgen, vorzugsweise durch Erhöhung des Drucks im Medium. Alternativ kann ein Kalibrieren in einem Folgeschritt und einem Kalibrierwerkzeug durchgeführt werden.
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Das Medium kann flüssig oder gasförmig sein, insbesondere mit einer für die IHU geeigneten Temperatur.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009004154 A1 [0004]