DE10359502A1

DE10359502A1 - Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen, flächigen Bauteils

Info

Publication number: DE10359502A1
Application number: DE10359502A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. Mehn; Martin Grosz; Ansgar Gusinde; Ulrich Schmid
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-07-14

Abstract

Allgemein bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile aus einem Aluminiumschaum-Sandwich. Dazu wird eine walzplattierte Platine aus einem Aluminiumschaum-Sandwich vor dem Schäumvorgang durch Pressen, Tiefziehen oder ähnliche Verfahren verformt und anschließend aufgeschäumt. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen, flächigen Bauteils aus einer Platine aus einem Metallschaum-Sandwich zu schaffen, das eine möglichst freie Gestaltung des Bauteils möglichst ohne Formeinschränkungen ermöglicht. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird zur Herstellung eines dreidimensionalen, flächigen Bauteils (7) aus einer Platine (1) aus einem Metallschaum die Platine (1) mit bereits aufgeschäumter Kernschicht (4) in einem Umformverfahren verformt. Während bei geringen Umformgraden eine Kaltverformung bei Raumtemperatur ausreicht, ist bei hohen Umformgraden ein Warmumformverfahren vorzuziehen, um irreparable Schäden der Kernschicht (4) zu vermeiden. Eine Platine (1) mit einer noch nicht aufgeschäumten Kernschicht (4) kann dagegen nicht warmumgeformt werden, da dabei die Kernschicht (4) aufgeschäumt werden würde.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen, flächigen Bauteils aus einer Platine aus einem Metallschaum-Sandwich.
Ein Metallschaum-Sandwich besteht aus einer Kernschicht aus einem Metallschaum, die beidseitig von einer Deckschicht aus einem konventionellen Metallblech umgeben ist. Solche Metallschaum-Sandwichs können durch mehrere Verfahren hergestellt werden. Die einfachste Methode besteht darin, Bleche aus konventionellen Materialien auf eine Kernlage aus geschäumtem Metall aufzukleben. In den Fällen, in denen höhere Anforderungen an die thermische Belastbarkeit gestellt werden, ist eine metallische Bindung der Deckbleche zu bevorzugen. Dies kann beispielsweise durch einen speziellen Walzplattiervorgang erreicht werden.

Auf der Internet-Seite des Fraunhofer Instituts für Fertigungstechnik http://www.ifam.fhg.de/index.php?seite=2801/gus/metallschaeume/sandwichstrukturen ist ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile aus einer Platine aus einem Aluminiumschaum-Sandwich angegeben. Dazu wird die gewalzte Platine vor dem Aufschäumen der Kernschicht durch Pressen, Tiefziehen oder ähnliche Verfahren verformt und anschließend aufgeschäumt.

Bei diesem Verfahren können allerdings nachteiligerweise aufgrund der Gesamtdicke der Platine und dem anschließenden Aufschäumen nur große Formradien im Bauteil realisiert werden. Auch kann bei der Umformung der gewalzten Platine der noch nicht aufgeschäumte Werkstoff der Kernschicht vorgeschädigt werden. In den vertikalen oder schräg zur Aufschäumrichtung orientierten Bauteilpartien kann entweder keine oder nur eine von der Größe der Schräge abhängige Kerndicke realisiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils aus einer Platine aus einem Metallschaum-Sandwich zu schaffen, das eine möglichst freie Gestaltung des Bauteils möglichst ohne Formeinschränkungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen, flächigen Bauteils aus einer Platine aus einem Metallschaum-Sandwich mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Patentanspruch 5 bezieht sich auf ein dreidimensionales, flächiges Bauteil, das mit diesem Verfahren hergestellt wurde.

Erfindungsgemäß wird zur Herstellung eines dreidimensionalen, flächigen Bauteils aus einer Platine aus einem Metallschaum-Sandwich die Platine mit bereits aufgeschäumter Kernschicht in einem Umformverfahren geformt. Während bei geringen Umformgraden eine Kaltverformung bei Raumtemperatur ausreicht, ist bei hohen Umformgraden ein Warmumformverfahren vorzuziehen, um irreparable Schäden der Kernschicht zu vermeiden. Eine Platine mit noch nicht aufgeschäumter Kernschicht kann dagegen nicht warmumgeformt werden, da dabei die Kernschicht aufgeschäumt werden würde. Als Umformverfahren eignen sich insbesondere Pressen, Tiefziehen oder ähnliche Verfahren. Aufgrund der Verformung der Platine erst nach dem Aufschäumen lassen sich auch Bauteile mit engen Radien darstellen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich dreidimensionale Bauteile herstellen, die einen hohen Umformgrad erfordern. Diese flächigen Bauteile sind geeignet für Strukturanwendungen, die hohen Belastungen standhalten müssen, denn sie weisen wegen der hochbelastbaren geschäumten Kernschicht und der signifikant hohen Haftungsfestigkeit zwischen den Deckschichten und der Kernschicht hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auf. Trotzdem können sie bezüglich ihrer Freiformflächen relativ frei gestaltet werden. Diese dreidimensionalen, flächigen Bauteile benötigen deutlich weniger Bauraum, als vergleichbare Bauteile, die vergleichbare Festigkeiten und/oder Steifigkeiten aufweisen. Zudem verfügen Bauteile aus einem Metallschaum-Sandwich über ein sehr gutes Dämpfungsverhalten für mechanische Schwingungen und über gute Isolationseigenschaften. Im Karosseriebau bei Fahrzeugen können solche dreidimensionalen flächigen Bauteile aus einer Platine aus einem Metallschaum-Sandwich deshalb anstelle von Bauteilen in Schalenbauweise zum Einsatz kommen. Solche dreidimensionalen flächigen Bauteile können beispielsweise im Dach, in Bodenbaugruppen, Stirn- oder Trenn wänden, Türen oder Klappen einer Fahrzeugkarosserie oder als Deckel eines Schiebedachs eines Fahrzeugs verwendet werden. Auch lassen sich relativ problemlos weitere Bauteile an einem solchen dreidimensionalen flächigen Bauteil mit herkömmlichen Verbindungstechniken anbringen, wie beispielsweise mit Blindnietmuttern, -schrauben oder durch das Anbringen von Halteblechen durch Laserschweißen. Aufgrund der hohen Festigkeit der Kernschicht lassen sich lokale Lasten auch über geeignete Inserts, wie beispielsweise Blindnietschrauben, direkt in die Kernschicht einleiten, sodass die Kernschicht und nicht die Deckschichten die Lastaufnahme übernimmt.

Bei jeder Umformung kommt es zu einer Verfestigung, wenn die Umformtemperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Materials liegt. Daher erfolgt das Warmumformverfahren vorteilhafterweise bei einer Formtemperatur, die über der Rekristallisationstemperatur des Kernmaterials des Metallschaum-Sandwichs liegt. Die Rekristallisationstemperatur des Kernmaterials richtet sich nach dem Umformgrad und den Legierungsbestandteilen. Sie liegt beispielsweise bei Aluminiumschäumen bei Temperaturen über ca. 150°C. Gleichzeitig sollte die Formtemperatur aber so niedrig sein, dass es zu keinem Anschmelzen der Deckschicht kommen kann. Günstigerweise liegt die Formtemperatur bei einem Warmumformverfahren daher unter der Solidustemperatur der Deckschichten des Metallschaum-Sandwichs.

Diese erforderlichen Formtemperaturen herrschen auch im Umformwerkzeug. Deshalb muss bei der Gestaltung des Umformwerkzeugs darauf geachtet werden, dass es eine ausreichende dauerhafte Temperaturbeständigkeit aufweist. Dies kann durch den Einsatz entsprechend temperaturfester Werkzeugstähle sichergestellt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, anhand dessen die Erfindung im folgenden näher beschrieben wird. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellungsweise die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils aus einer Platine aus einem Aluminiumschaum-Sandwichs.
In der Figur ist die Herstellung eines Deckels 7 eines Schiebedachs eines Personenkraftwagens dargestellt. Als Ausgangsmaterial dient – wie unter a) dargestellt – eine gewalzte, ebene Platine 1 aus einem Aluminiumschaum-Sandwich AFS. Ein Aluminiumschaum-Sandwich AFS besteht aus zwei Deckschichten 2 und 3 aus Aluminiumblech mit einer dazwischen liegenden Kernschicht 4 aus Aluminiumschaum. Die Deckschichten 2 und 3 sind mit der Kernschicht 4 aus Aluminiumschaum nicht verklebt, sondern stoffschlüssig verbunden. Diese Verbindung wird während eines Walzvorganges erzielt, bei dem die unaufgeschäumte Kernschicht 4 bei einer definierten Temperatur und definiertem Druck in einem sogenannten Plattierstich mit den Deckschichten verbunden wird. Unter a) ist die ebene Platine 1 mit noch nicht aufgeschäumter Kernschicht 4 dargestellt.
In einem ersten Bearbeitungsschritt werden – wie unter b) gezeigt – an zwei einander gegenüber liegenden Randbereichen 5 der Platine 1 die untere Deckschicht 3 und die Kernschicht 4 entfernt. Dies kann beispielsweise mittels eines Fräsvorgangs erfolgen. Dies ist wichtig, um später eine definierte Berandung des herzustellenden Deckels 7 des Schiebedachs durch Abkanten des verbleibenden Randbereichs der oberen Deckschicht 2 nach unten sicherstellen zu können. Die spätere Berandung weist dann keinen offenen Querschnitt auf, bei dem die Kernschicht 4 ungeschützt ist. Ein solch offener Querschnitt wäre auch optisch nicht ansprechend.
Anschließend wird – wie unter c) veranschaulicht – die Kernschicht 4 aufgeschäumt, sodass die Platine 1 ihre volle Höhe erreicht. Im nun folgenden und letzten Verfahrensschritt wird die Platine 1 in einem Presswerkzeug 6 in die Form des Deckels 7 des Schiebedachs warmumgeformt. Die Formtemperatur liegt dabei oberhalb von 150°C, sodass die Rekristallisationstemperatur der Kernschicht 4 überschritten ist. So kann sichergestellt werden, dass es während des Umformens zu keiner hohen Verfestigung oder gar Beschädigung der Kernschicht 4 kommt. Zugleich liegt die Formtemperatur aber unterhalb der Solidustemperatur des Aluminiums der beiden Deckschichten 2 und 3 liegt. Somit wird die Oberflächengüte des abgepressten De ckels 7 des Schiebedachs im wesentlichen nur durch die Gestaltung des Presswerkzeugs 6 beeinflusst.
Nach diesem eigentlichen Umformschritt kann unter Umständen ein nachträglicher Kalibrierschritt notwendig sein, um gegebenenfalls weitere Funktionsflächen einarbeiten und/oder Toleranzen einhalten zu können.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen, flächigen Bauteils (7) aus einer Platine (1) aus einem Metallschaum-Sandwich, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (1) mit aufgeschäumter Kernschicht in einem Umformverfahren zum dreidimensionalen Bauteil (7) umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformverfahren ein Warmumformverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Warmumformverfahren die Formtemperatur über der Rekristallisationstemperatur des Kernmaterials (4) des Metallschaum-Sandwichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Warmumformverfahren die Formtemperatur unter der Solidustemperatur der Deckschichten (2, 3) des Metallschaum-Sandwichs liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Umformen an zumindest einem Randbereich (5) der Platine (1) eine Deckschicht (2) von dem Kernmaterial (4) und von der anderen Deckschicht (3) freigemacht wird.
Dreidimensionales, flächiges Bauteil (7) hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (7) Teil einer Fahrzeugkarosserie ist.