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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines hybriden Bauteils.
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Insbesondere in der Automobilproduktion gibt es einen Trend zum verstärkten Einsatz großformatiger Karosseriestrukturteile, die im Leichtmetall-Druckgussverfahren hergestellt werden. Der große Vorteil ist hierbei eine Substitution einer bisher aus vielen einzelnen Blechteilen zusammengesetzten Schweißbaugruppe durch eine monolithische Komponente mit hohem Funktionsintegrationsgrad. Allerdings weisen derartige Komponenten weitestgehend homogene Werkstoffeigenschaften auf, weshalb sie für bestimmte Anwendungen, beispielsweise als Längsträger für Crash-Sicherheit, durch entsprechende Montageteile ergänzt werden müssen. Die größte Herausforderung sind hierbei Fügestellen, auch hinsichtlich wiederholbarer Passgenauigkeit, da im Fertigungsprozess auftretende Toleranzen ausgeglichen werden müssen.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Ansätze zum umformtechnischen Fügen einzelner Komponenten bekannt. Dabei wird die Umformung und das Positionieren und Fügen innerhalb eines Fertigungsmittels in einem gemeinsamen Prozessschritt realisiert. Beispielsweise sind in den Druckschriften
DE 10 2010 060 686 A1 und
DE 10 2015 112 478 A1 entsprechende Verfahren basierend auf Innenhochdruckumformung bekannt. Nachteilig ist aber nach wie vor, dass komplexe Druckgussbauteile mit Hohlräumen nur mit sehr aufwändiger Werkzeugtechnik herstellbar sind. In der Regel müssen an die Positionen der Hohlräume Einleger bzw. Schieber ins Werkzeug integriert werden, was die Komplexität des Produktionsprozesses erhöht und generell nachteilig für die Prozesseffizienz ist (beispielsweise im Hinblick auf die Zykluszeit).
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit denen die genannten Nachteile vermieden werden können, d.h. ein Bauteil zuverlässig und schnell in der gewünschten Geometrie herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung nach dem nebengeordneten Anspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen eines hybriden Bauteils wird ein Halbzeug aus einem Hohlkörper mit einem geschlossenen Profil in eine mit einer Werkzeugkavität versehene Druckgussform derart eingelegt, dass das Halbzeug bündig mit einer Außenkontur der Druckgussform abschließt oder über die Außenkontur hinausragt, wobei die Werkzeugkavität das Halbzeug zumindest bereichsweise umschließt. Die Druckgussform wird nachfolgend geschlossen und Profilenden des Halbzeugs verschlossen. Das in der Druckgussform gelagerte Halbzeug wird mit einem Stütz- oder Umformdruck durch ein gasförmiges Druckmedium beaufschlagt, das durch mindestens eines der Profilenden in einen Innenraum des Hohlkörpers eingebracht wird. Indem ein flüssiger metallischer Werkstoff in die Werkzeugkavität der Druckgussform eingebracht wird bzw. gepresst wird und der metallische Werkstoff mit dem Halbzeug zum Herstellen des Bauteils verbunden wird, wird ein Druckgussverfahren durchgeführt. Nach Erstarren und Abkühlen des metallischen Werkstoffs sowie einem Druckabbau innerhalb der Druckgussform wird das Bauteil aus der Druckgussform entnommen. Vorzugsweise wird nach oder während des Erstarrens und Abkühlens des metallischen Werkstoffs der Druck in der Druckgussform kontrolliert abgebaut.
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Da das Halbzeug hohlkörperförmig, aber mit geschlossenem Profil ausgebildet ist, worunter insbesondere verstanden werden soll, dass das Halbzeug ein lediglich einseitig oder beidseitig offener Hohlkörper ist, kann durch Einbringen eines Stützdrucks oder Umformdrucks ein Kollabieren des Profils infolge des Drucks des metallischen Werkstoffs, der als Spritzmasse in die Werkzeugkavität eingebracht wird, verhindert werden. Ein Innendruck in dem Hohlkörper soll dabei als Stützdruck bezeichnet werden, falls es um ein reines Erhalten der Form des Profils gegenüber einem durch die Spritzmasse ausgeübten Außendrucks geht. Als Umformdruck soll dieser Druck bezeichnet werden, falls auch eine Änderung der Geometrie des Profils bzw. des Halbzeugs beabsichtigt ist, der Außendruck also gegebenenfalls überkompensiert wird. In diesem Fall liegt also eine Kombination von Umformverfahren und Druckgussverfahren vor. Indem das Halbzeug derart in die Druckgussform eingebracht wird, dass es typischerweise fluiddicht in dieser liegt, kann durch das Druckgussverfahren ein hybrides Bauteil aus einem Halbzeug mit einem Anguss erzeugt werden, wobei das Verfahren schnell und effizient durchführbar ist und die Geometrie bzw. Form des hybriden Bauteils beeinflusst werden kann. Die Werkzeugkavität umschließt dabei den Bereich des Halbzeugs, an den eine Gusskomponente angefügt werden soll, kann aber auch das Halbzeug komplett umschließen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Stütz- oder Umformdruck im geschlossenen Profil des Halbzeugs derart geregelt wird, dass der Stütz- oder Umformdruck einem Druck des in die Werkzeugkavität eingebrachten flüssigen metallischen Werkstoffs entspricht. Dies ermöglicht ein besonders effizientes Druckgussverfahren, da durch die fortwährende Regelung keine Formveränderungen des Bauteils zu befürchten sind.
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Die Profilenden sind vorzugsweise durch axiale Abdichtstempel verschlossen, um einen möglichst gas- bzw. fluiddichten Innenraum des Halbzeugs sicherzustellen. Sofern das Halbzeug als nur einseitig offener Körper ausgebildet ist, kann entsprechend auch nur ein axialer Abdichtstempel benutzt werden, der mit einer Gasdurchführung versehen ist. Werden mehrere Abdichtstempel zum Abdichten mehrerer Öffnungen des Halbzeugs verwendet, ist typischerweise nur einer dieser Abdichtstempel mit einer Gasdurchführung versehen, während die weiteren Stempel geschlossen ausgebildet sind. Die Druckzuführung kann allerdings auch durch mehrere Abdichtstempel erfolgen, was vor allem zum Senken der Taktzeit beitragen kann.
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Als gasförmiges Druckmedium kann Luft, Stickstoff und bzw. oder ein Edelgas verwendet werden. Diese Gase sind gut handhabbar, um den gewünschten Druck einzustellen, und zudem kostengünstig verfügbar.
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Um das Druckgussverfahren zu erleichtern, d. h. eine Verbindung zwischen dem metallischen Werkstoff und dem Halbzeug zu erleichtern, kann eine Oberfläche des Halbzeugs bzw. eine Außenkontur des geschlossenen Profils in einem den bisherigen beschriebenen Schritten vorgelagerten Verfahrensschritt vor dem Einlegen in die Druckgussform oberflächenstrukturiert werden, vorzugsweise durch Laserstrukturieren und bzw. oder Rändeln oder weiteren mechanischen Verfahren. Diese Oberflächenstrukturierung kann sowohl im mikroskopischen als auch im makroskopischen Bereich erfolgen.
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Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Oberfläche des Halbzeugs bzw. die Außenkontur des geschlossenen Profils vor dem Einlegen in die Druckgussform, d. h. in einem den bisherigen beschriebenen Schritten vorgelagerten Verfahrensschritt, chemisch zu aktivieren. Die kann beispielsweise erfolgen durch chemisches Beizen der Oberfläche zum Entfernen einer Oxidschicht. Alternativ oder zusätzlich kann die chemische Aktivierung auch durch Bürsten oder eine Laserbehandlung erfolgen.
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Als metallischer Werkstoff kann Aluminium, Stahl oder Titan verwendet werden, wobei auch das Halbzeug aus den genannten Werkstoffen bestehen kann bzw. diese Werkstoffe zumindest aufweisen kann. Das Halbzeug kann somit aus dem gleichen Werkstoff wie der den Anguss bildende metallische Werkstoff ausgebildet sein, es können aber auch unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden.
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Das Halbzeug kann auf seiner Oberfläche, d. h. auf der Außenkontur des geschlossenen Profils, eine korrosionshindernde Beschichtung aufweisen, die in einem dem bislang beschriebenen Verfahren vorgelagerten Verfahrensschritt aufgebracht werden kann.
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Das Halbzeug ist vorzugsweise vorkonfektioniert, d.h. insbesondere abgelängt, gebogen oder anderweitig vorgeformt, um bereits die gewünschte Geometrie des hybriden Bauteils vorzugeben. Das Halbzeug kann aber auch mehrere Kammern aufweisen, d.h. mit einem extrudierten Mehrkammerprofil vorliegen.
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Ein hybrides Bauteil weist ein Halbzeug mit einem Hohlkörper mit einem geschlossenen Profil und einem mit dem Halbzeug formschlüssig, kraftschlüssig und bzw. oder stoffschlüssig verbundenen Anguss auf. Typischerweise ist das hybride Bauteil mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt.
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Eine Vorrichtung zum Herstellen eines hybriden Bauteils weist eine Druckgussform mit einer Werkzeugkavität auf, die derart ausgestaltet ist, dass ein Halbzeug aus einem Hohlkörper mit einem geschlossenen Profil in die Druckgussform derart einlegbar bzw. einbringbar ist, dass das Halbzeug bündig mit einer Außenkontur der Druckgussform abschließt oder über die Außenkontur hinausragt und die Werkzeugkavität das Halbzeug zumindest bereichsweise umschließt. Die Vorrichtung weist weiter eine Verschlussvorrichtung zum Verschließen von Profilenden des Halbzeugs, eine Druckbeaufschlagungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, bei geschlossener Druckgussform das in der Druckgussform gelagerte Halbzeug mit einem Stütz- oder Umformdruck durch ein gasförmiges Druckmedium zu beaufschlagen, das durch mindestens eines der Profilenden in einen Innenraum des Hohlkörpers eingebracht wird, und eine Metallzuführungsvorrichtung auf, die ausgestaltet ist, einen flüssigen metallischen Werkstoff in die Werkzeugkavität der Druckgussform zu pressen, so dass der metallische Werkstoff mit dem Halbzeug zum Herstellen des Bauteils verbunden wird.
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Die Vorrichtung kann eine Regelungseinheit umfassen, die ausgebildet ist, den Stütz- oder Umformdruck im geschlossenen Profil des Halbzeugs derart zu regeln, dass der Stütz- oder Umformdruck einem Druck des in die Werkzeugkavität eingebrachten flüssigen metallischen Werkstoffs entspricht. Alternativ oder zusätzlich kann die Regelungseinheit auch dazu ausgebildet sein, den Stütz- oder Umformdruck innerhalb des Profils proportional zu dem Druck des in die Werkzeugkavität eingebrachten flüssigen metallischen Werkstoffs zu regeln. Hierzu ist typischerweise mindestens ein Sensor vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, den Stütz- oder Umformdruck zu messen, sowie ein Sensor, der dazu ausgebildet ist, den Druck des in die Werkzeugkavität eingebrachten flüssigen metallischen Werkstoffs zu messen. Die beiden Sensoren sind dazu ausgebildet, ein jeweiliges Messsignal an die Regelungseinheit zu übermitteln. Die Regelungseinheit gibt in diesem Fall ein Regelsignal an die Druckbeaufschlagungsvorrichtung aus, um den Stütz- oder Umformdruck entsprechend anzupassen. Die Regelungseinheit kann auch zum kontrollierten Abbau des Drucks innerhalb der Druckgussform nach Beendigung des Druckgussverfahrens ausgebildet sein, d. h. die Regelungseinheit regelt während des Erstarrens und Abkühlens des metallischen Werkstoffs den Druck in der Druckgussform, um den Druck kontrolliert abzubauen.
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Die Vorrichtung ist typischerweise zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens geeignet, d. h. das Verfahren kann mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 5 erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische seitliche Darstellung des Einlegens eines Halbzeugs in ein Werkzeug;
- 2 eine 1 entsprechende Darstellung eine Verfahrensschritts, bei dem das in das Werkzeug eingebrachte Halbzeug mit Druck beaufschlagt wird;
- 3 eine den 1 und 2 entsprechende Darstellung eines Druckgussprozesses am Halbzeug;
- 4 eine den 1 bis 3 entsprechende Darstellung eines Öffnens des Werkzeugs und Entnehmens eines hybriden Fertigbauteils und
- 5 das fertiggestellte hybride Fertigbauteil.
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Bei dem im Folgenden noch näher beispielhaft beschriebenen Verfahren werden hybride semi-monolithische Baugruppen in einem integrierten Umform- und Druckgussprozess in einem einzigen Werkzeug und einem einzigen technologischen Arbeitsschritt hergestellt werden kann. In 1 ist ein erster Teilschritt eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens dargestellt, bei dem ein vorkonfektioniertes Halbzeug 1 aus einem geschlossenen Profil in eine Druckgussform 2 eingelegt und die Druckgussform geschlossen wird. Unter dem Begriff „vorkonfektioniert“ soll hierbei insbesondere verstanden werden, dass das Halbzeug 1 abgelängt, gebogen oder anderweitig vorgeformt ist. Das Halbzeug 1 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein beidseitig offener Hohlkörper, dessen Hohlraum sich im Wesentlichen entlang der Längsachse des Halbzeugs 1 erstreckt. Das Halbzeug 1 ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel aus Stahl, kann aber auch aus einem anderen Metall wie beispielsweise Aluminium oder Titan bestehen oder diese Elemente zumindest aufweisen. Das Halbzeug 1 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur einen einzigen Hohlraum in seinem Inneren auf, es ist jedoch auch möglich, Halbzeuge zu verarbeiten, die mehrere Kammern, also ein extrudiertes Mehrkammerprofil aufweisen.
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Die Druckgussform 2 ist zweiteilig ausgeführt, kann in weiteren Ausführungsbeispielen aber auch mehr als zwei Teile aufweisen, also mehrteilig ausgebildet sein. Zudem weist die Druckgussform 2 eine Werkzeugkavität 4 auf, die das eingelegte Halbzeug 1 bereichsweise umschließt. Eine Gießformteilung 3 ist so ausgeführt, dass das vorkonfektionierte Halbzeug 1 dicht umschlossen wird, im Idealfall fluiddicht bzw. gasdicht umschlossen wird, und mindestens bündig mit der Außenkontur der Druckgussform 2 abschließt oder, wie in 1 gezeigt, darüber hinaussteht.
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Wie in 1 ebenfalls gezeigt wird nach einem Schließen der Druckgussform 2 in der Teilungsebene der Gießformteilung 3 und dem Abdichten von Profilenden des Halbzeugs 1 durch jeweils einen axialen Abdichtstempel 5 das vorkonfektionierte Halbzeug 1 mit einem Stütz- bzw. Umformdruck beaufschlagt. Der in 1 im unteren Teil gezeigte Abdichtstempel 5 ist hierzu mit einer Gaszuführung 8 bzw. Druckzuführung versehen, während der obere Abdichtstempel 5 geschlossen ist. Zum Schließen der Druckgussform 2 wird eine bewegliche Platte 7 einer zum Durchführen des Verfahrens verwendeten Druckgießmaschine, in der die Druckgussform 2 gehalten wird, gegen eine feste Platte 6 der Druckgießmaschine verfahren.
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In 2 ist in einer 1 entsprechenden Ansicht das nun mit einem Stützdruck 12 versehene Halbzeug 1 gezeigt, d.h. in einem zweiten Teilschritt des Verfahrens wird das vorkonfektionierte Halbzeug 1 abgedichtet und mit Druck beaufschlagt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Als gasförmiges Druckmedium wird in dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel Druckluft verwendet, es können in weiteren Ausführungsbeispielen aber auch Stickstoff oder Edelgase verwendet werden. Der Stütz- bzw. Umformdruck 12 wird dabei von einer Druckbeaufschlagungsvorrichtung über geeignete Zuleitungs- und Ventiltechnik der Gaszuführung 8 zugeführt.
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Wie in 3 gezeigt wird im Anschluss im Druckgießverfahren das flüssige, unter Druck stehende (Leicht-)Metall (typischerweise Aluminium oder Titan, gegebenenfalls auch Zink oder Magnesium) durch eine Metallzuführungsvorrichtung über eine oder mehrere Metallzuführungen 9 in der festen Platte 6 in die Werkzeugkavität 4 gepresst. 3 zeigt also einen dritten Teilschritt des Verfahrens, bei dem ein konventioneller Druckgussprozess durchgeführt wird. Der Stütz- bzw. Umformdruck 12 im geschlossenen Profil verhindert dabei das Kollabieren des Hohlraums im Inneren des Halbzeugs 1 unter Druck- und Temperatureinwirkung. Der verwendete Temperatur- und Druckbereich ist jeweils abhängig von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise dem verwendeten Werkstoff, Komplexität der Formgeometrie oder Anzahl der Angüsse. Voraussetzung ist jeweils das Vorliegen des schmelzflüssigen Zustands des für das Druckgießen verwendeten Metalls. Es kann vorgesehen sein, sowohl den Stütz- bzw. Umformdruck 12 als auch den Druck des eingebrachten und eine Gusskomponente 10 bildenden Metalls durch Sensoren zu überwachen und über eine Regelungseinheit den Stütz- bzw. Umformdruck 12 zu regeln, um einerseits ein Bersten des Halbzeugs 1 und andererseits das Kollabieren bzw. ungewollte Deformieren des Profils zu vermeiden.
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Nach dem Erstarren des druckgegossenen Metalls wird auch der Stütz- bzw. Umformdruck 12 im Profil auf Umgebungsdruck kontrolliert abgebaut und das hybride Fertigbauteil 11, d. h. das mit der Gusskomponente 10 versehene Halbzeug 1 wird nach entsprechender Abkühlung aus der Druckgussmaschine bzw. dem Druckgusswerkzeug entnommen, indem es aus der Druckgussform 2 gelöst wird. Dieser Schritt ist in 4 in einer den 1-3 entsprechenden Darstellung wiedergegeben.
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Das in 5 in einer den 1-4 entsprechenden schematischen seitlichen Ansicht dargestellte Bauteil 11 ist somit eine hybride Baugruppe mit einer unlösbaren Verbindung, die auf den bekannten Verbindungsarten im Form-, Kraft- oder Stoffschluss bzw. einer Kombination daraus basiert. Die Art der Verbindung kann sowohl durch die Gestaltung des vorkonfektionierten Halbzeugs 1 (d. h. insbesondere die Profilform) als auch die Prozessführung (z. B. Druck und Temperatur) gezielt beeinflusst werden. So findet ein Stoffschluss bei gleichen Werkstoffen statt, sofern das Temperaturniveau gleich ist, da in diesem Fall ein Anschmelzen der Oberfläche der Fügepartner erfolgt. Bei Verwendung von Stahl bzw. Titan als Einlegebauteil oder auch speziellen Aluminium-Legierungen mit höherem Schmelzpunkt als bei einer Druckgusslegierung erfolgt kein Anschmelzen, die Verbindung basiert in diesem Fall auf einem durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten bedingten Einschrumpfen (Kraftschluss) bzw. durch hinterschnittene Bereiche des Profils, d. h. Formschluss.
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Mit dem beschriebenen Verfahren kann das hybride Fertigbauteil 11 also hergestellt werden, indem das metallische Halbzeug 1 mit der Gusskomponente 10 unlösbar verbunden wird und in einem einzigen integrierten Prozessschritt sowohl Formgebung als auch Fügen erfolgt. Nachträgliche Abstimmmaßnahmen zwischen den Bauteilen zum Toleranzausgleich sind daher nicht mehr erforderlich. Außerdem entfällt der Arbeitsschritt des Fügens für eine Komponente, die aus zwei oder mehr Einzelteilen besteht und verschiedene Werkstoffe können miteinander verbunden werden, z. B. ein Stahlrohr als Halbzeug 1 mit Aluminium.
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In weiteren Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, die Außenoberfläche des Halbzeugs 1 bereits vor dem Einbringen in die Druckgussform 2 einer Oberflächenstrukturierung zu unterziehen, beispielsweise durch einen Laser zu strukturieren. Ebenso ist es möglich, eine chemische Aktivierung des geschlossenen Profils durchzuführen, um ein besseres Anhaften des Druckguss-Mediums zu gewährleisten. In weiteren Ausführungsformen können auch unterschiedliche metallische Werkstoffe (z. B. unterschiedliche Aluminium-Legierungen) bzw. Werkstoffklassen (z. B. Aluminium und Stahl oder Aluminium und Titan) verwendet werden. Gegebenenfalls ist auf der Oberfläche des geschlossenen Profils in diesen Fällen eine korrosionsbehindernde (allerdings auch eine stoffschlüssige Verbindung verhindernde) Beschichtung aufzubringen.
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Eine Anwendung kann beispielsweise in einer mit dem beschriebenen Verfahren hergestellten Komponente einer Bodengruppe eines Personenkraftwagens und dem dabei integrierten profilförmigen Längsträger bestehen. Das hybride Bauteil 11 kann aber auch generell im Fahrzeugbau, in der Haustechnik, im Bereich der Weißen Ware, der Medizintechnik und in der Luft- und Raumfahrttechnik verwendet werden.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- vorkonfektioniertes Halbzeug
- 2
- Druckgussform
- 3
- Gießformteilung
- 4
- Werkzeugkavität
- 5
- Axialer Abdichtstempel
- 6
- Feste Platte Druckgussmaschine
- 7
- Bewegliche Platte Druckgussmaschine
- 8
- Druckzuführung
- 9
- Zuführung Leichtmetall
- 10
- Gusskomponente
- 11
- Hybrides Fertigbauteil
- 12
- Stütz- oder Umformdruck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010060686 A1 [0003]
- DE 102015112478 A1 [0003]
