DE112016001842T5

DE112016001842T5 - Lasergesinterte Oberfläche einer Matritze für ein Werkzeug

Info

Publication number: DE112016001842T5
Application number: DE112016001842.8T
Authority: DE
Inventors: Mark Anthony Fabischek
Original assignee: Magna International Inc
Current assignee: Magna International Inc
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-12-28
Also published as: US10981208B2; US20180141098A1; WO2016170516A1; CN107530757A; CA2983078A1; CA2983078C

Abstract

Ein Umformungssystem, umfassend eine erste Form, eine zweite Form, und ein Kühlsystem. Ein gesintertes Material, ist an gegenüberliegenden Abschnitten der ersten und der zweiten Formoberfläche vorgesehen ist, um einen Formbereich mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit zu bilden. Die erste Form und die zweite Form weisen gegenüberliegende Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit auf, um einen Bereich relativ hoher thermischer Leitfähigkeit zu bilden. Das Kühlsystem steht mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit der ersten und der zweiten Form in einer wärmeleitender Beziehung. Das gesinterte Material wirkt zusammen an den gegenüberliegenden Abschnitten der ersten und der zweiten Formoberfläche, um an entgegengesetzten Seiten des in dem Formhohlraum aufgenommenen Werkstücks zu sein. Teile des Werkstücks, die in direktem Kontakt mit dem gesinterten Material sind, werden mit einer Abkühlgeschwindigkeit gekühlt, die langsamer ist als diejenige von Abschnitten des Werkstücks, die in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit stehen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Anmeldung Nr. 62/151,614, eingereicht am 23. April 2015, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
FELD
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Warmformsystem zum Herstellen einer Fahrzeugkarosserieanordnung.
HINTERGRUND
Fahrzeughersteller streben danach, Fahrzeuge bereitzustellen, die immer stärker, leichter und kostengünstiger sind. Zum Beispiel haben Fahrzeughersteller beträchtliche Anstrengungen unternommen, um nicht-traditionelle Materialien wie Aluminiumblech, fortschrittliche hochfeste Stähle und ultrahochfeste Stähle für Teile des Fahrzeugkörpers zu verwenden. Während solche Materialien relativ stark und leicht sein können, sind sie typischerweise teuer zu erwerben, zu formen und/oder zu montieren.
Eine vorgeschlagene Lösung beinhaltet die Verwendung von wärmebehandelten Stahlblechplattenelementen um die Fahrzeugkarosserie zu bilden. Bei manchen Anwendungen werden die Stahlblechplattenelemente in einem herkömmlichen Formgebungsverfahren ausgebildet und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen. Diese zweistufige Verarbeitung kann insofern nachteilig sein, als dass der zusätzliche Vorgang erhebliche Kosten und Zeit verursachen kann.
Als Alternative zu einem Verfahren, bei dem ein diskreter Wärmebehandlungsvorgang angewendet wird, ist bekannt, dass bestimmte Materialien, wie beispielsweise Borstähle, gleichzeitig in einer Warmumformform, umgeformt und abgeschreckt werden können. In dieser Hinsicht kann ein vorgewärmtes Blechmaterial typischerweise in eine Warmumformform (Warmumformmatritze) eingebracht werden, in eine gewünschten Form umgeformt werden und nach der Formgebung abgeschreckt werden, während es sich in der Form befindet, um dadurch eine wärmebehandelte Komponente herzustellen. Die bekannten Warmumformformen zum Durchführen der simultanen Warmumform- und Abschreckschritte beinhalten typischerweise Wasserkühlkanäle (zum Zirkulieren von Kühlwasser durch die Warmumformform), die auf herkömmliche Weise ausgebildet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei Warmumformungssystemen und Warmumformungsverfahren.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Patentanmeldung stellt ein Umformungssystem bereit, das eine erste Form mit einem ersten Formkörper und einer ersten Formoberfläche; eine zweite Form mit einem zweiten Formkörper und einer zweiten Formoberfläche; und ein Kühlsystem, das der ersten Form und der zweiten Form operativ zugeordnet ist. Die erste und die zweite Formoberfläche so konfiguriert sind, dass sie dazwischen einen Formhohlraum bilden, um ein Werkstück darin aufzunehmen. Ein gesintertes Material ist an gegenüberliegenden Abschnitten der ersten und der zweiten Formoberfläche vorgesehen, um einen Formbereich mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit zu bilden. Die erste Form und die zweite Form weisen gegenüberliegende Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit auf, um einen Bereich relativ hoher thermischer Leitfähigkeit zu bilden. Das Kühlsystem steht in einer wärmeleitende Beziehung mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit der ersten und der zweiten Form. Die Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit der ersten Form und der zweiten Form arbeiten zusammen, um auf entgegengesetzten Seiten des in dem Formhohlraum aufgenommenen Werkstücks zu sein, und das gesinterte Material an den gegenüberliegenden Abschnitten der ersten und der zweiten Formoberfläche wirkt zusammen, um an entgegengesetzten Seiten des in dem Formhohlraum aufgenommenen Werkstücks zu sein. Teile des Werkstücks, die in direktem Kontakt mit dem gesinterten Material stehen, werden mit einer Abkühlgeschwindigkeit gekühlt, die langsamer ist als diejenige von Abschnitten des Werkstücks, die in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit stehen.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Patentanmeldung stellt ein Formungssystem bereit, das eine erste Form aufweist, die einen ersten Formkörper und eine erste Formoberfläche aufweist; eine zweite Form, die einen zweiten Formkörper und eine zweite Formoberfläche aufweist; und ein Kühlsystem, das der ersten Form und der zweiten Form operativ zugeordnet ist. Die erste und die zweite Formoberfläche so konfiguriert sind, dass sie dazwischen einen Formhohlraum bilden, um ein Werkstück darin aufzunehmen. Ein thermisch isolierendes Material, ist unter Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens an gegenüberliegenden Abschnitten der ersten und der zweiten Formoberfläche ausgebildet, um einen Formbereich mit relativ geringer thermisch Leitfähigkeit bilden. Die erste Form und die zweite Form weisen gegenüberliegende Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit auf, um einen Bereich relativ hoher thermischer Leitfähigkeit zu bilden. Das Kühlsystem steht in einer wärmeleitenden Beziehung mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit der ersten und der zweiten Form. Die Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit der ersten Form und der zweiten Form arbeiten zusammen, um auf entgegengesetzten Seiten des in dem Formhohlraum aufgenommenen Werkstücks zu sein, und das thermische isolierende Material das an den gegenüberliegenden Abschnitten der ersten und der zweiten Formoberfläche ausgebildet ist, wirkt derart zusammen, um an entgegengesetzten Seiten des in dem Formhohlraum aufgenommenen Werkstücks zu sein. des Werkstücks in direktem Kontakt mit dem thermische isolierenden Material stehen werden mit einer Abkühlgeschwindigkeit gekühlt, die langsamer ist als jene von Abschnitten des Werkstücks, die in direktem Kontakt mit den relativ hohen thermisch leitfähigen Oberflächen sind.
Noch ein anderer Aspekt der vorliegenden Patentanmeldung stellt ein Verfahren zum Bilden eines Fahrzeugkarosserieteils bereit. Das Verfahren umfasst das Bilden eines Werkstücks in einem Formsystem zum Bilden des Fahrzeugkarosserieteils, und Kühlen des Fahrzeugkarosserieteils in dem Formsystem, wobei Abschnitte des Fahrzeugkarosserieteils, die in direktem Kontakt mit dem thermisch isolierenden Formbereich stehen, mit einer Abkühlrate gekühlt werden, die langsamer ist als jene von Abschnitten des Fahrzeugkarosserieteils, die in direktem Kontakt mit dem Kühlungsformbereich stehen. Das Formsystem weist einen thermisch isolierenden Formbereich und einen Kühlungsformbereich auf. Der thermisch isolierende Formbereich umfasst: gegenüberliegende Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit, die ein thermisches Isoliermaterial umfassen. Das thermisch isolierende Material wird auf einer ersten Form und einer zweiten Form des Formsystems durch ein additives Fertigungsverfahren ausgebildet.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Patentanmeldung sowie die Verfahren des Betriebs und der Funktionen der verwandten Elemente der Struktur und der Kombination von Teilen und Wirtschaftlichkeit der Herstellung werden unter Berücksichtigung der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, die alle einen Teil dieser Beschreibung bilden, wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in den verschiedenen Figuren bezeichnen. In einer (one) Ausführungsform der vorliegenden Patentanmeldung sind die hier dargestellten Strukturkomponenten maßstabsgetreu gezeichnet. Es ist jedoch ausdrücklich zu verstehen, dass die Zeichnungen nur zur Veranschaulichung und Beschreibung dienen und nicht als eine Definition der Grenzen der vorliegenden Patentanmeldung gedacht sind. Es versteht sich auch, dass die Merkmale einer hierin offenbarten Ausführungsform in anderen hier offenbarten Ausführungsformen verwendet werden können. Wie in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet, umfasst die Singularform von ”ein”, ”einer” und ”der, die, das” Pluralbezüge, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorgibt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Warmumformsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Patentanmeldung;
2 ist ein anderes schematisches Diagramm des Warmumformsystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Patentanmeldung, bei dem einige Teile des Warmformsystems der Klarheit halber nicht dargestellt sind;
2A ist ein schematisches Diagramm eines Formkörpers mit thermisch isolierendem Material, das auf thermische Weise mit dem Formkörper verbunden ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Patentanmeldung;
3A zeigt eine Draufsicht auf eine beispielhafte B-Säule mit im Wesentlichen gleichmäßiger Zugfestigkeit, wie sie durch ein herkömmliches Warmumformverfahren gebildet wird;
3B zeigt eine Draufsicht einer beispielhaften B-Säule, die im Wesentlichen zwei Bereiche mit unterschiedlicher Zugfestigkeit aufweist, die durch das Warmumformungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Patentanmeldung gebildet werden; und
4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden eines Fahrzeugkarosserieelementes unter Verwendung des Warmumformsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Patentanmeldung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 und 2 zeigen ein Warmumformungssystem 10 zum Herstellen einer Fahrzeugkarosserieanordnung oder eines Fahrzeugkarosserieelementes. Unter Bezugnahme auf 1 und 2 enthält das Warmumformsystem 10 eine erste Form 12, eine zweite Form 14 und ein Kühlsystem 38, die operative mit der ersten Form 12 und der zweiten Form 14 verbunden ist.
In der veranschaulichenden Ausführungsform ist die erste Form 12 als eine untere Form gezeigt. In einer anderen Ausführungsform kann die erste Form 12 eine obere Form sein. Die erste Form 12 weist einen ersten Formkörper 18 und eine erste Formoberfläche 20 auf. In einer Ausführungsform kann der erste Formkörper 18 aus einem wärmeleitenden Material gebildet sein, wie etwa Werkzeugstahl, insbesondere DIEVAR^®, das von der Bohler-Uddeholm Corporation, Rolling Meadows vermarktet wird, I11, oder im Handel erhältliches HI-11 oder H-13 sein. In einer Ausführungsform kann die erste Formoberfläche 20 eine komplex geformte Formoberfläche umfassen. Der erste Formkörper 18 kann auch eine Mehrzahl von Kühlkanälen 22 in mindestens einem Teil davon umfassen. in einer Ausführungsform können die Kühlkanäle 22 in einem Abschnitt FP (z. B. mit einer Länge FL) des ersten Formkörpers 18 ausgebildet sein.
In einer veranschaulichenden Ausführungsform ist die zweite Form 14 als eine obere Form gezeigt. In einer anderen Ausführungsform kann die zweite Form 14 eine untere Form sein. In einer Ausführungsform kann die zweite Form 14 einen zweiten Formkörper 24 umfassen, der aus Werkzeugstahl gebildet ist, insbesondere DIEVAR^®, oder im Handel erhältliches HI-11 oder H-13, eine zweite Formoberfläche 26 und einer Mehrzahl von Kühlkanälen 28 in mindestens einem Teil davon. In einer Ausführungsform können die Kühlkanäle 28 in einem Abschnitt SP (z. B. mit einer Länge von SL₁) des zweiten Düsenkörpers 24 ausgebildet sein. In einer Ausführungsform kann die zweite Formoberfläche 26 eine komplexe Formoberfläche umfassen.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff ”Formoberfläche” auf den Teil der äußeren Oberfläche einer Form, die eine warmumgeformte Komponente bildet. Darüber hinaus bedeutet der Ausdruck ”komplexe Formoberfläche”, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, dass die Formoberfläche eine dreidimensional konturierte Form hat.
Der Warmumformumgsformsatz 12 und 14 kann in einer Stanzpresse 34 angebracht sein und mit dem Kühlsystem 38 gekoppelt sein.
In einer Ausführungsform kann die Stanzpresse 34 konfiguriert sein, um die ersten und zweiten Formen 12 und 14 in einer Aktionsrichtung zu schließen, um ein Werkstück 30 zu verformen, das zwischen den ersten und zweiten Formen 12 und 14 aufgenommen wird, um eine warmumgeformtes Element 36 zu formen und optional zu trimmen. In einer Ausführungsform kann die Stanzpresse 34 konfiguriert sein, um die Formen 12 und 14 für eine vorbestimmte Zeitspanne in einer geschlossenen Beziehung zu halten, um zu ermöglichen, dass das warmumgeformte Element 36 auf eine gewünschte Temperatur gekühlt wird.
Das Kühlsystem 38 kann eine Kühlfluidquelle umfassen. In einer Ausführungsform kann das Kühlfluid Wasser, Gas oder ein anderes fluides Medium enthalten. Kühlfluid, das durch das Kühlsystem 38 bereitgestellt wird, kann kontinuierlich durch die Kühlkanäle 22 und 28 zirkuliert werden, um die Formen 12 bzw. 14 zu kühlen. In einer Ausführungsform kann das Kühlsystem 38 einen Behälter/Kühler und eine Fluidpumpe umfassen. Es ist zu erkennen, dass umlaufende Kühlflüssigkeiten die Formen 12 und 14 abkühlen und dass die Formen 12 und 14 das warmumgeformte Element 36 abschrecken und kühlen.
In einer Ausführungsform können die Kühlkanäle 22, 28 durch Techniken, wie z. B. Pistolenbohren, gebildet werden, sodass sich gerade Kanäle ergeben, die sich durch die jeweiligen Formkörper erstrecken. In einer Ausführungsform sind die Kühlkanäle 22, 28 durch Pistolenbohren der Kühlkanäle durch eine oder zwei Seiten der jeweiligen Formkörper gebildet.
In einer Ausführungsform kann jeder Kühlkanal 22 von der Formoberfläche 20 um einen ersten vorbestimmten Abstand versetzt sein, und dieser Abstand kann entlang der Länge der Kühlkanäle 22 konsistent sein. In ähnlicher Weise kann jeder Kühlkanal 28 um einen zweiten vorbestimmten Abstand, der von dem ersten vorbestimmten Abstand verschieden sein kann, von der Formoberfläche 26 versetzt sein, und dieser Abstand kann entlang der Länge der Kühlkanäle 28 konsistent sein. In einer anderen Ausführungsform kann der zweite vorbestimmte Abstand derselbe wie der erste vorbestimmte Abstand sein.
Die erste und die zweite Formoberfläche 20 und 26 sind so konfiguriert, dass sie zusammen einen Formhohlraum 39 bilden, um das Werkstück 30 darin aufzunehmen. In einer Ausführungsform ist der Formhohlraum 39 so konfiguriert, dass er eine Form aufweist, die einer endgültigen Form des Werkstücks nach dem Warmumformvorgang/der Warmumformprozedur entspricht.
In einer Ausführungsform kann das Werkstück 30 ein Rohling sein, der aus einem wärmebehandelbaren Stahl wie etwa Borstahl gebildet sein kann. In einer anderen Ausführungsform kann das Werkstück 30 aus einer Schicht aus härtbarem Stahl, wie Usibor^®1500P oder Usibor^®1500, Borstahl oder irgendeinem geeigneten Heißpressgehärteten Material, gestanzt werden. In einer Ausführungsform kann das Werkstück 30 speziell zur Herstellung eines gewünschten geformten warmumgeformten Produkts, wie beispielsweise durch ein zusätzliches Schneidverfahren oder ein zusätzliches Kaltumformverfahren vorgeformt sein. In einer Ausführungsform kann das zusätzliche Schneidverfahren oder zusätzliche Kaltumformverfahren optional sein. In einer Ausführungsform kann das Werkstück 30 zwei Bereiche 120 und 122 aufweisen, die zwei Bereichen 120 und 122 des warmumgeformten Elements 36 entsprechen.
In einer Ausführungsform ist das warmgeformte Element 36 ein Fahrzeugkarosserieteil oder eine Fahrzeugkarosserieanordnung. In einer Ausführungsform kann die Fahrzeugkarosseriekomponente, die durch das System der 1 und 2 gebildet oder hergestellt wird, eine B-Säule oder eine B-Säule für ein Fahrzeug umfassen. Natürlich können andere Arten von Elementen auf ähnliche Weise hergestellt werden, und das Beispiel der B-Säule ist lediglich zu Darstellungszwecken und zum besseren Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung vorgesehen.
In einer Ausführungsform umfasst die erste Formoberfläche 20 eine Oberfläche mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und eine Oberfläche mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b. In einer Ausführungsform enthält die zweite Formoberfläche 26 eine Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 26a und eine Oberfläche mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 26b. Zum Beispiel können die einander gegenüberliegenden, eine Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und 26a Längenabmessungen von FL₁ bzw. SL₁ haben und die einander gegenüberliegenden Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b können Längenabmessungen von FL₂ bzw. SL₂ haben. In einer veranschaulichenden Ausführungsform sind die Längenabmessungen der Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit größer als die Längenabmessungen der Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit. In einer anderen Ausführungsform können die Längenabmessungen jedoch in Abhängigkeit von dem gebildeten warmumgeformten Element variieren.
In einer Ausführungsform können die Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und 26a eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 24 W/m·K aufweisen. In einer anderen Ausführungsform können die Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und 26a eine thermische Leitfähigkeit von etwa 25 W/m·K aufweisen. In noch einer anderen Ausführungsform können die Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und 26a eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 18 W/m·K bis etwa 25 W/m·K aufweisen. Die Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und 26a sind so konfiguriert, dass sie in einer Wärmeleitbeziehung mit dem Kühlsystem 38 stehen. In einer Ausführungsform können die einander gegenüberliegenden, Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und 26a ein Formbereich mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit bilden. In einer Ausführungsform kann der Formbereich mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit auch als Kühlungsformbereich bezeichnet werden.
In einer Ausführungsform sind Kühlfluide, die durch die Kühlkanäle 22 zirkulieren, die in dem Abschnitt FP des ersten Formkörpers 18 ausgebildet sind, konfiguriert, um den Abschnitt FP des ersten Formkörpers 18 und die Oberfläche mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a zu kühlen, und Kühlfluide, die durch die Kühlkanäle 28 zirkulieren, die in dem Abschnitt SP des zweiten Formkörpers 24 ausgebildet sind, sind konfiguriert, um den Abschnitt SP des zweiten Formkörpers 24 und die Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 26a zu kühlen. Dieser Prozess wiederum schreckt ab und kühlt den Abschnitt des warmumgeformten Elements 36, der in Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und 26a ist. Wie aus den nachfolgenden Ausführungen hervorgeht, wirken die Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und 26a zusammen, um sich an gegenüberliegenden Seiten eines zweiten Bereichs 122 des Elements 36 zu befinden. Somit sind die Kühlfluide, die durch die Kühlkanäle 22 und 28 zirkulieren, konfiguriert, um den zweiten Bereich 122 des Elements 36 zu kühlen und abzuschrecken.
In einer Ausführungsform kann ein Material auf einander gegenüberliegenden Abschnitte der ersten und der zweiten Formoberfläche 20 und 26 gesintert werden, um einen Bereich mit niedriger thermischer Leitfähigkeit zu bilden. In einer anderen Ausführungsform kann ein Material unter Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens (wie unten im Detail beschrieben) an gegenüberliegenden Abschnitten der ersten und der zweiten Formoberfläche 20 und 26 gebildet oder abgeschieden werden, um einen Formbereichs mit niedriger thermischer Leitfähigkeit zu bilden. In einer Ausführungsform können die einander gegenüberliegenden Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b den Formbereich mit niedriger thermischer Leitfähigkeit bilden. In einer Ausführungsform kann der Formbereich mit niedriger thermischer Leitfähigkeit auch als ein Formbereich mit thermischer Isolation bezeichnet werden.
In einer Ausführungsform können die Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b ein thermisch isolierendes Material 27 bzw. 29 aufweisen. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material ein Material mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit aufweisen. In einer Ausführungsform können die Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 5 W/m·K aufweisen. In einer anderen Ausführungsform können die Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1 W/m·K aufweisen. In noch einer anderen Ausführungsform können die Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b eine thermische Leitfähigkeit im Bereich von etwa 0,1 W/m·K bis etwa 5 W/m·K aufweisen. In noch einer anderen Ausführungsform können die Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b eine thermische Leitfähigkeit im Bereich von etwa 2 W/m·K bis etwa 10 W/m·K aufweisen. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material eine hohe Wärme-/Thermischebeständigkeit aufweisen. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material konfiguriert sein, um das Härten in einem ersten Bereich 120 des warmumgeformten Elements 36 zu begrenzen. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material ein Metall-basiertes Legierungsmaterial enthalten. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material Titanlegierungsmaterialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 7 W/m·K bis etwa 8 W/m·K enthalten. In einer anderen Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material Glasfaser verstärkte Verbundmaterialien enthalten, mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 0,9 W/m·K bis etwa 3 W/m·K. In noch einer anderen Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material fortschrittliche (advanced) keramische Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 3 W/m·K aufweisen. Zum Beispiel können die fortgeschrittenen keramischen Materialien in einer Ausführungsform Nano-ZrO₂ umfassen. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material konfiguriert sein, um leicht mit den jeweiligen Formkörpern (thermisch)verbunden zu werden. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material konfiguriert sein, um eine hohe Abnutzungsbeständigkeit aufzuweisen und hohen Temperaturbereichen standzuhalten. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material eine Temperaturbeständigkeit (oder Schmelzfestigkeit) von 800°C haben.
In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material konfiguriert sein, um Bruchzähigkeit aufzuweisen (d. h. Bruchfestigkeit/Widerstandsfestigkeit). In einer Ausführungsform kann das thermische Isolationsmaterial eine Bruchfestigkeit im Bereich von ungefähr 3 MPa·m^1/2 bis ungefähr 65 MPa·m^1/2 aufweisen. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material so konfiguriert sein, dass es sowohl gute Bruchfestigkeitseigenschaften als auch niedrige Wärmeleitfähigkeitseigenschaften aufweist.
In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material eine endgültige (ultimate) Zugfestigkeit im Bereich von etwa 600 MPa bis etwa 1500 MPa aufweisen. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material eine Streckgrenze im Bereich von etwa 400 MPa bis etwa 1200 MPa aufweisen. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material eine Dehnung im Bereich von etwa 1% bis etwa 20% aufweisen.
In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material eine pulverförmige Materialkonfiguration haben. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material auf die Formkörper aufgesprüht werden. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material in Form einer Beschichtung vorliegen. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material eine thermische Sprühmehrschichtbeschichtung mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 1,9 W/m·K bis etwa 3 W/m·K enthalten.
In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material eine Blockkonfiguration haben. In einer Ausführungsform kann der thermisch isolierende Block durch ein additives Herstellungsverfahren gebildet werden. In einer Ausführungsform kann der thermisch isolierende Block an die Formkörper (z. B. Stahlunterblock) angeschraubt sein. In einer Ausführungsform kann, wenn das thermisch isolierende Material die Blockkonfiguration aufweist, der thermisch isolierende Block selbst als der Formkörper auf der ersten Seite 120 dienen. In einer Ausführungsform kann der thermisch isolierende Block dicker als das thermisch isolierende Material in der Pulver- oder Beschichtungskonfiguration sein.
In einer Ausführungsform kann die Dicke des thermisch isolierende Material 27 und 29 von den gewünschten mechanischen Eigenschaften (Duktilität/reduzierte Festigkeit) in dem ersten Bereich 120 des warmumgeformten Elements 36 abhängen. In einer Ausführungsform können die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften des thermisch isolierenden Materials umgekehrt proportional zu der Dicke des thermisch isolierenden Materials sein. In einer Ausführungsform kann die Dicke des thermisch isolierenden Materials 27 und 29 im Bereich von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 5 mm liegen. In einer Ausführungsform kann die Dicke des thermisch isolierenden Materials 27 und 29 etwa 1 mm betragen. In einer Ausführungsform kann die Wärmeleitfähigkeit des thermisch isolierenden Materials 27 und 29 von den gewünschten mechanischen Eigenschaften (Duktilität/reduzierte Festigkeit) in dem ersten Bereich 120 des warmgeformten Elements 36 abhängen.
In einer Ausführungsform werden Abschnitte des Werkstücks 30, die in direktem Kontakt mit dem thermisch isolierenden Material 27 und 29 stehen, mit einer Abkühlrate gekühlt, die langsamer ist als andere Abschnitte des Werkstücks 30 die in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und 26a stehen. In einer Ausführungsform werden Abschnitte des Werkstücks 30, die in direktem Kontakt mit dem gesinterten (thermisch isolierenden) Material 27 und 29 stehen, mit einer Abkühlgeschwindigkeit gekühlt, die langsamer ist als andere Abschnitte des Werkstücks 30 in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und 26a stehen. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material konfiguriert sein, um die Kühlrate der Abschnitte des Werkstücks 30 in direktem Kontakt mit dem thermisch isolierenden Material 27 und 29 zu verlangsamen, um so ”weiche Zonen” in jenen Abschnitten des Werkstücks 30 zu erreichen. In einer Ausführungsform kann die weiche Zone eine Region sein, die niedrige/reduzierte Härte-/Zugfestigkeitseigenschaften und hohe Duktilitäts-/Erweichung-/Dehnungseigenschaften aufweist.
In einer Ausführungsform sind die Formen 12 und 14 so konfiguriert, dass in dem Gebiet/Bereich des Elements 36, wo eine weiche Zone gewünscht ist, die Oberflächen der Formen 12 und 14 ein Material mit niedriger Leitfähigkeit/ein thermisch isolierendes Material aufweisen. Beispielsweise kann, wie in 3B gezeigt, für eine B-Säule oder B-Säule für ein Fahrzeug wünschenswert sein einen relativ hochduktilen Bereich 120 (oder Bereich mit reduzierter Festigkeit/Härte) (weiche Zone) und einen Bereich hoher Festigkeit/Härte 122 zu haben. In einer Ausführungsform sind die Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b, die in direktem Kontakt mit dem ersten Bereich 120 des Elements 36 stehen, konfiguriert, um zu ermöglichen, dass der erste Bereich 120 mit einer Abkühlrate langsamer als der zweite Bereich 122 gekühlt wird, wodurch die weiche Zone in dem ersten Bereich 120 erzeugt wird.
In einer Ausführungsform kann die weiche Zone eine Mikrostruktur aufweisen, beispielsweise Martensit, gemischt mit variierenden Mengen an Bainit und/oder Ferrit (mit duktilen Eigenschaften). In noch einer anderen Ausführungsform kann die weiche Zone irgendeine Mikrostruktur aufweisen, die hohe duktile Eigenschaften oder verringerte Festigkeits-/Härteeigenschaften aufweist.
In einer Ausführungsform, wie in 2A gezeigt, kann das thermisch isolierende Material 27 und 29 thermisch mit ihren jeweiligen Fomkörpern 18, 24 verbunden sein, um die Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b bzw. 26b zu bilden. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material 27 und 29 an den Formkörpern unter Verwendung eines Laser-Sinterverfahrens ausgebildet werden. Das Laser-Sinterverfahren ist ein additives Herstellungsverfahren, bei der eine Laser-Vorrichtung als Energiequelle zum Sintern von pulverisiertem thermisch isolierendem Material verwendet wird. Das Verfahren beinhaltet auch das Zusammenbinden des Materials, um die gewünschte Geometrie des thermisch isolierenden Materials zu bilden. In einer Ausführungsform wird die gewünschte Geometrie des thermisch isolierenden Materials Schicht für Schicht gebildet (d. H. additiv aufgebaut). In einer Ausführungsform kann das Laser-Sinterverfahren selektives Lasersintern oder direktes Metalllasersintern sein.
In einer Ausführungsform ist das Laser-Sinterverfahren dazu konfiguriert, eine gleichmäßige molekulare thermische Bindung 500 zwischen dem thermisch isolierenden Material 27 und 29 und ihren jeweiligen Formkörpern bereitzustellen, beispielsweise ohne Lufttaschen oder Schweißschlacke.
In einer anderen Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material 27 und 29 auf den Formkörpern unter Verwendung eines Laser-Metallabscheidungsverfahrens ausgebildet werden. Das Laser-Metallabscheidungsverfahren verwendet im Allgemeinen eine Laservorrichtung als die Energiequelle, um ein Schmelzbad auf einem Substratmaterial (z. B. einem metallischen Substrat) zu bilden. Thermisch isolierendes Material (z. B. Pulver) wird in das Schmelzbad eingespeist und wird in dem Schmelzbad absorbiert, um eine Abscheidung zu bilden, die mit dem Substratmaterial schmelzverbunden ist. Wie bei dem Laser-Sinterverfahren ist das Laser-Metallabscheidungsverfahren ein additives Herstellungsverfahren, bei der die gewünschte Geometrie des thermisch isolierende Materials Schicht für Schicht gebildet (d. h. additiv aufgebaut) wird.
In anderen Ausführungsformen können in der vorliegenden Patentanmeldung andere additive Herstellungsverfahren verwendet werden, die dem Laser-Metallabscheidungsverfahren und dem Laser-Sinterverfahren (oben beschrieben) ähnlich sind. In einer Ausführungsform kann sich das additive Herstellungsverfahren im Allgemeinen auf ein Verfahren beziehen, bei dem das thermisch isolierende Material auf der/den jeweiligen Formoberfläche(n) durch Schicht-für-Schicht-Hinzufügen von thermisch isolierende, Material gebildet wird. In einer Ausführungsform ist das additive Herstellungsverfahren so konfiguriert, dass es eine gleichmäßige molekulare thermische Verbindung zwischen dem thermisch isolierenden Material 27 und 29 und ihren jeweiligen Formkörpern beispielsweise ohne Lufttaschen oder Schweißschlacke schafft. In einer Ausführungsform kann ein Laser-Schmelzverfahren verwendet werden, um (eine) Schicht(en) des thermisch isolierenden Materials auf der jeweiligen Formoberfläche(n) abzulegen oder zu bilden.
In einer Ausführungsform sind die Oberfläche mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und die Oberfläche mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b der Form 12 durch einen Isolatorabschnitt 42 getrennt. In einer Ausführungsform ist der Isolatorabschnitt 42 angeordnet und konfiguriert, um eine thermische Trennung/Isolierung zwischen der Oberfläche mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und der Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b bereitzustellen und aufrechtzuerhalten. In einer Ausführungsform ist der Isolatorabschnitt 42 so ausgelegt, dass er eine ausreichende Wärmesperre zwischen der Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und der Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b bereitstellt.
In ähnlicher Weise sind die Oberfläche mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 26a und die Oberfläche mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 26b der Form 14 durch einen Isolatorabschnitt 44 getrennt. In einer Ausführungsform ist der Isolatorabschnitt 44 angeordnet und konfiguriert, um eine thermische Trennung/Isolierung zwischen der Oberfläche mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 26a und der Oberfläche mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 26b bereitzustellen und aufrechtzuerhalten. In einer Ausführungsform ist der Isolatorabschnitt 44 so ausgelegt, dass er eine ausreichende Wärmesperre zwischen der Oberfläche mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 26a und der Oberfläche mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 26b bereitstellt.
In einer Ausführungsform können die Isolatorabschnitte 42 und 44 Luftspalte sein. Das heißt, in einer Ausführungsform kann das isolierende Material/die isolierende Substanz in den Isolatorabschnitte 42 und 44 Luft sein. In einer anderen Ausführungsform kann das isolierende Material/die isolierende Substanz in den Isolatorabschnitten 42 und 44 feste isolierende Materialien enthalten. In einer Ausführungsform können die Isolatorabschnitte 42 und 44 jeweils eine rechteckige Konfiguration aufweisen.
In einer Ausführungsform können die Isolatorabschnitte 42 und 44 jeweils eine Höhenabmessung H und eine Breitenabmessung W aufweisen. In einer anderen Ausführungsform können die Isolatorabschnitte 42 und 44 jeweils andere geformte Konfigurationen aufweisen. In einer Ausführungsform können die Form und Abmessungen des Isolatorabschnitts und die Art des isolierenden Materials in Abhängigkeit von dem in dem System 10 gebildeten warmumgeformten Element 36 variieren. Wenn das in dem System 10 ausgebildete warmumgeformte Element 36 beispielsweise eine B-Säule oder eine B-Säule für ein Fahrzeug ist, kann die Breitenabmessung W der Isolatorabschnitte 42 und 44 etwa 5 mm betragen. In einer Ausführungsform kann die Höhenabmessung H der Isolatorabschnitte 42 und 44 im Bereich von etwa 25% bis etwa 100% der Gesamthöhe des jeweiligen Formkörpers liegen.
3A zeigt ein warmumgeformtes Element 36', das in einem herkömmlichen Formsatz ausgebildet ist. Das warmumgeformte Element 36' hat im Wesentlichen gleichmäßig eine Martensitstruktur im gesamten warmumgeformten Element 36'.
3B zeigt ein warmumgeformtes Element 36, das in dem Formsatz 12 und 14 der vorliegenden Patentoffenbarung ausgebildet ist. 3B veranschaulicht, dass das warmumgeformte Element 36 zwei Bereiche 120 und 122 mit im Wesentlichen unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften umfasst. In einer Ausführungsform können die zwei Bereiche 120 und 122 unterschiedliche Zugfestigkeits-/Härteeigenschaften aufweisen. In einer Ausführungsform können die zwei Bereiche 120 und 122 unterschiedliche Duktilitäts-/Erweichung-/Dehnungseigenschaften aufweisen.
In einer Ausführungsform kann der erste Bereich 120 eine Mikrostruktur mit einer reduzierten Zugfestigkeit und der zweite Bereich 122 eine Mikrostruktur mit einer hohen Zugfestigkeit enthalten. Das heißt, der erste Bereich 120 hat eine Zugfestigkeit, die wesentlich geringer ist als die Zugfestigkeit des zweiten Bereichs 122. In einer Ausführungsform kann der erste Bereich 120 eine Mikrostruktur mit hohen duktilen Eigenschaften und der zweite Bereich 122 eine Martensitstruktur aufweisen.
In einer Ausführungsform wirken die Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b so zusammen, dass sie sich auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Bereichs 120 des Werkstücks 30 befinden, welches in dem Formhohlraum 39 aufgenommen ist, so dass der erste Bereich 120 in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b stehen und mit einer langsameren Abkühlrate als der zweite Bereich 122 des Werkstücks 30 gekühlt wird. Das heißt, aufgrund der langsameren Abkühlgeschwindigkeit wird eine Mikrostruktur mit hohen duktilen Eigenschaften und einer verringerten Festigkeit/Härte innerhalb des ersten Bereiches 120 auf einer Seite der ”Grenze” 124 gebildet, während eine Martensitstruktur in dem zweiten Bereich 122 auf der andere Seite der Grenze 124 gebildet wird. In einer Ausführungsform kann eine Übergangszone mit endlicher Breite entlang der Grenze 124 zwischen dem ersten Bereich 120 und dem zweiten Bereich 122 existieren. In einer Ausführungsform liegt die Zugfestigkeit des warmumgeformten Elements 36 innerhalb der Übergangszone oder -region 124 zwischen der Zugfestigkeit innerhalb des ersten Bereiches 120 und der Zugfestigkeit innerhalb des zweiten Bereiches 122.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 400 zum Bilden des warmumgeformten Elements 36 in dem Warmumformungssystem 10. In einer Ausführungsform kann das warmumgeformte Element 36 ein Fahrzeugkarosserieelement umfassen. In einer Ausführungsform kann das Verfahren 400 die Schritte 402 bis 406 umfassen.
In dem Schritt 402 wird das Werkstück 30 während des Warmumform- und/oder Presshärtungsvorgangs auf eine Austenitisierungstemperatur erwärmt. In dem Schritt wird das Werkstück 30 zugegeben. In einer Ausführungsform kann das Werkstück 30 aus einem Blech aus härtbarem Stahl, wie Usibor^® 1500P oder Usibor^® 1500, Borstahl oder einem beliebigen geeigneten Heißpress-gehärteten Material, gestanzt werden. In einer Ausführungsform kann das Werkstück 30 speziell zur Herstellung einer gewünschten geformten warmumgeformten Komponente vorgeformt sein. Zum Beispiel kann das Werkstück 30 unter Verwendung eines zusätzlichen Schneidvorgangs oder eines zusätzlichen Kaltumformvorgangs vorgeformt werden.
Das Werkstück 30 (z. B. gestanzt oder vorgeformt) wird zu dem Austenitzustand erwärmt. Zum Beispiel wird das Werkstück 30 in einem Ofen oder einer Feuerstätte (z. B. einem Rollenherd- oder einem Chargenartigem) auf eine Temperatur oberhalb der Ac3-Temperatur erwärmt. In einer Ausführungsform kann das Werkstück 30 auf eine vorbestimmte Temperatur vorerwärmt werden, beispielsweise auf etwa 930°C. In einer Ausführungsform kann das Werkstück 30 auf eine vorbestimmte Temperatur, wie etwa 900°C, vorgewärmt werden. In einer Ausführungsform wird das Werkstück 30 derart erwärmt, dass seine Struktur, die im Wesentlichen (wenn nicht sogar vollständig) aus Austenit besteht. Sobald sich das Werkstück 30 im Austenitzustand befindet, kann das Werkstück 30 schnell/zügig zum Fromsatz 12 und 14 transferiert werden.
In dem Schritt 404 wird das Werkstück 30 (im Austenitzustand) einem Heißumformverfahren unterzogen, um das warmumgeformte Element 36 zu bilden. In einer Ausführungsform kann das erwärmte Werkstück 30 zwischen den Formen 12 und 14 platziert werden. Bei dem Schritt 404 wird das erwärmte Werkstück 30 in dem Formhohlraum 39 zwischen der ersten und der zweiten Formfläche 20 und 26 der Formen 12 und 14 angeordnet. In einer Ausführungsform ist der Formhohlraum 39 so konfiguriert, dass er eine Form aufweist, die einer Endform des Werkstücks nach dem Warmumformvorgang entspricht.
In einer Ausführungsform kann das System 10 einen Werkstückhalter umfassen, der die vollständige Haltefunktion für das Werkstück 30 übernimmt. Das heißt, das Werkstück 30 kann zwischen Halteelementen des Werkstückhalters eingespannt sein. Eines der Halteelemente kann durch einen Aktuator (z. B. hydraulisch und/oder durch eine elastische Kraft betätigt) betätigt (d. h. geöffnet und geschlossen) werden. In einer Ausführungsform kann der Werkstückhalter optional sein.
Wenn das Werkstück 30 im Formhohlraum 39 aufgenommen ist, wird es so positioniert, dass die Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und 26a auf gegenüberliegenden Seiten des zweiten Bereichs 122 liegen und die Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Bereichs 120 liegen.
Die Formen 12 und 14 können dann über die Stanzpresse 34 in der Formenwirkrichtung zusammengebracht (d. h. geschlossen) werden, um zu bewirken, dass das warmumgeformte Element 36 gebildet wird. Das heißt, die ersten und zweiten Formen 12 und 14 können zusammengebracht werden, um das Werkstück 30 zu verformen, um das warmumgeformte Element 36 zu formen und optional zu schneiden.
In dem Schritt 406 wird, während das warmumgeformte Element 36 noch innerhalb oder zwischen dem Paar von Formen 12 und 14 ist, das Element 36 derart gekühlt, dass Martensit innerhalb des zweiten Bereichs 122 gebildet wird, und eine Mikrostruktur mit hohen duktilen Eigenschaften und reduzierter Festigkeit/Härte innerhalb des ersten Bereiches 120 ausgebildet wird. In einer Ausführungsform kann die Mikrostruktur mit hohen duktilen Eigenschaften und reduzierter Festigkeit/Härte eine Martensit-Mikrostruktur aufweisen, die mit variierenden Mengen an Bainit und/oder Ferrit vermischt ist.
Zum Beispiel wird in dem Schritt 406 der zweite Bereich 122 gehärtet, indem der zweite Bereich 122 mit einer Kühlgeschwindigkeit gekühlt wird, die ausreichend schnell/zügig ist, um eine martensitische Struktur in dem zweiten Bereich 122 zu bilden. Gleichzeitig wird der erste Bereich 120 in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b gehalten, so dass der erste Bereich 120 mit einer Abkühlrate, die langsamer ist als die des zweiten Bereichs 122, gekühlt wird, um eine Mikrostruktur mit hohen duktilen Eigenschaften und reduzierter Festigkeit/Härte in dem ersten Bereich 120 zu bilden.
Die Verformung und das gleichzeitige schnelle Abkühlen des zweiten Bereichs 122 innerhalb der Formhälften 12 und 14 erzeugt den zweiten Bereich 122, in dem die Austenitstruktur in die martensitische Struktur umgewandelt worden ist. Die Kühlrate für den zweiten Bereich 122 ist ausreichend schnell, um die Bildung der martensitischen Struktur innerhalb des zweiten Bereiches 122 zu unterstützen.
In einer Ausführungsform sind die Kanäle 22 und 28, die durch die Formhälften 12 und 14 definiert sind, so konfiguriert, dass durch diese hindurch ein Kühlfluid (z. B. Wasser, Öl, Kochsalzlösung usw.) durchfließen/passieren kann, um schnell die Wärme von dem den zweiten Bereich 122 abzuführen und/oder eine schnelle Abkühlrate des zweiten Bereichs 122 erreichen. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform die Kühlrate des zweiten Bereichs 122 im Bereich von etwa 30°C/Sekunde bis etwa 100°C/Sekunde liegen.
In einer Ausführungsform kann der Abstand zwischen den Kühlkanälen 22 und 28 und den Formoberflächen 20 und 26 sowie die Massenströmungsrate des Kühlfluids und die Temperatur des Kühlfluids ausgewählt werden, um die Kühlung von beiden Formen 12 und 14 zu kontrollieren, so dass der zweite Bereich 122 in einer kontrollierten Art und Weise gleichmäßig über seine Hauptoberflächen abgeschreckt wird, um eine Phasenumwandlung zu einem gewünschten metallurgischen Zustand zu bewirken. In einer Ausführungsform können die Formen 12 und 14 als eine Wärmesenke fungieren, um die Wärme von dem zweiten Bereich 122 auf kontrollierte Weise abzuziehen und diesen dadurch zu kühlen, um eine gewünschte Phasentransformation (z. B. zu Martensit) in dem zweiten Bereich 122 zu erreichen und wahlweise zum kühlen des zweiten Bereichs 122 auf eine gewünschte Temperatur.
Die Zugfestigkeit und Härte des zweiten Bereichs 122 ist im Wesentlichen gleichmäßig. In einer Ausführungsform ist die Zugfestigkeit des zweiten Bereichs 122 größer als die Zugfestigkeit des ersten Bereichs 120. In einer Ausführungsform ist die Härte des zweiten Bereichs 122 größer als die Härte des ersten Bereichs 120. In einer Ausführungsform sind die Duktilität, Fließspannung und Dehnung der zweiten Region 122 geringer als die Duktilität, Fließspannung und Dehnung der ersten Region 120.
In einer Ausführungsform wird das warmumgeformte Element 36 derart gekühlt, dass eine Mikrostruktur mit hohen Verformungseigenschaften und reduzierten Festigkeits-/Härteeigenschaften innerhalb des ersten Bereichs 120 des warmumgeformten Elements 36 ausgebildet wird, während gleichzeitig eine Martensitstruktur in dem zweiten Bereich 122 des warmumgeformten Elements 36 ausgebildet wird. Das heißt, der zweite Bereich 122 bleibt im Wesentlichen frei von einer Mikrostruktur mit hohen duktilen Eigenschaften und den Eigenschaften von verringerter Festigkeit/Härte.
Zum Beispiel wirken bei dem Schritt 406 die Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit relativ 20b und 26b so zusammen, dass sie sich auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Bereichs 120 des warmumgeformten Elements 36 befinden, welches in dem Formhohlraum 39 aufgenommen ist, so dass der erste Bereich 120 in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b steht und mit einer Abkühlrate gekühlt wird, die langsamer ist als die des zweiten Bereichs 122, der in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit 20a und 26a steht.
In einer Ausführungsform wird der erste Bereich 120 in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b von etwa 900°C auf 550°C in etwa 7 bis 8 Sekunden gekühlt und der zweite Bereich 122 in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit wird in etwa 7 bis 8 Sekunden von etwa 900°C auf 200°C abgekühlt. In einer Ausführungsform beträgt die Zykluszeit für das warmumgeformte Element 36 etwa 7 bis 8 Sekunden.
In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material der Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b konfiguriert sein, um die Kühlzeit des ersten Bereichs 120 zu verlängern. In einer Ausführungsform kann das thermisch isolierende Material Wärmeisolationsmaterial der Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b konfiguriert sein, um die Kühlrate des ersten Bereichs 120 zu reduzieren. In einer Ausführungsform kann das Isolationsmaterial/das Material mit niedriger Wärme/Wärmeleitfähigkeit konfiguriert sein, um den Wärmeverlust von dem ersten Bereich 120 zu verlangsamen, wenn der erste Bereich 120 in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit 20b und 26b ist. Dies führt zu unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften im ersten Bereich 120 als im zweiten Bereich 122.
Die Duktilität des ersten Bereichs 120 ist im Wesentlichen gleichmäßig. In einer Ausführungsform ist die Duktilität des ersten Bereichs 120 größer als die Duktilität des zweiten Bereichs 122. In einer Ausführungsform ist die Dehnung des ersten Bereichs 120 größer als die Dehnung des zweiten Bereichs 122. In einer Ausführungsform ist die Fließspannung des ersten Bereichs 120 größer als die Fließspannung des zweiten Bereichs 122. In einer Ausführungsform sind die Härte/Zugfestigkeit des ersten Bereichs 120 geringer als die Härte/Zugfestigkeit des zweiten Bereichs 122.
In einer Ausführungsform kann das Element 36 innerhalb des Formensatzes während des Kühlvorgangs 406 gehalten werden, um die gewünschte Form des Elements 36 beizubehalten, während es gekühlt und/oder gehärtet wird. In einer Ausführungsform kann eine Halterung verwendet werden, um die Abmessungen des Elements 36 während der Kühlprozedur 406 aufrechtzuerhalten. In einer anderen Ausführungsform kann die Halterung optional sein.
In einer Ausführungsform kann das warmumgeformte Element 36 durch die Formen 12 und 14 vor dem Ausstoßen des warmumgeformten Elements 36 aus den Formen 12 und 14 gekühlt werden.
In einer Ausführungsform kann am Ende der Kühlschrittes 406 der erste Bereich 120 des Elements 36 auf etwa Raumtemperatur abgekühlt werden. In einer Ausführungsform ist der erste Bereich 120 gasgekühlt. In einer anderen Ausführungsform kann der erste Bereich 120 unter Verwendung einer anderen geeigneten Kühltechnik gekühlt werden, wie zum Beispiel Gasstrahlen, Wirbelschichtkühlung, Düsenkühlung, Wasser/Nebel-Kühlung und Kühlung unter Verwendung von Kühlventilatoren/-düsen, etc.
In einer Ausführungsform kann das Element 36, nachdem es aus der Formgruppe 12 und 14 entfernt wurde, auf etwa Raumtemperatur oder zumindest auf eine Temperatur zwischen etwa 20°C und etwa 250°C gekühlt werden. In diesem Stadium hat der zweite Bereich 122 des Elements 36 im Wesentlichen eine einheitliche Martensitstruktur, und der erste Bereich 120 des Elements 36 weist im Wesentlichen eine Mikrostruktur mit gleichmäßigen, hohen Duktilitätseigenschaften und gleichmäßigen, reduzierten Härte-/Zugfestigkeitseigenschaften auf.
Danach können die Formen 12 und 14 voneinander getrennt (d. h. geöffnet) werden und das warmumgeformte Element 36 kann aus dem Formhohlraum 39 entfernt werden. In einer Ausführungsform kann (können) ein zusätzliche(r) Verarbeitungsschritt(e) durchgeführt werden. Diese(r) zusätzliche Verarbeitungsschritt(e) kann Trimmen, Perforieren usw. umfassen.
In einer Ausführungsform kann der Aufbau des Warmumformwerkzeugs 10 gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung es ermöglichen, die Kühlrate an jedem Punkt auf der Werkzeugoberfläche präzise zu steuern. Dies kann besonders vorteilhaft für eine Massenproduktion sein, da es möglich ist, relativ kurze Gesamtzykluszeiten zu verwenden, während eine gewünschte metallurgische Transformation erreicht wird.
In einer Ausführungsform offenbart die vorliegende Patentanmeldung die Bildung von zwei Bereichen, einer mit Martensitstruktur und der andere mit einer Mikrostruktur mit hohen duktilen Eigenschaften und reduzierten Härte/Zugfestigkeitseigenschaften. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass die Anzahl von Bereichen mit Martensit und Mikrostruktur mit hohen duktilen Eigenschaften in dem Element 36 variieren kann. In einer Ausführungsform können zusätzliche ”weiche Zonen” innerhalb verschiedener Bereiche des Elements 36 in einem einzigen Durchgang gebildet werden. In einer Ausführungsform können zwei oder mehr nicht zusammenhängende ”weiche Zonen” in dem Element 36 ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform kann das warmumgeformte Element als warmgeprägtes Element oder warmgeformtes Element bezeichnet werden. Beispielsweise ermöglicht das Warmprägen das Bilden komplexer Teilegeometrien, wobei das Endprodukt ultrahochfeste Materialeigenschaften erreicht.
In einer Ausführungsform können das System und das Verfahren der vorliegenden Patentanmeldung verwendet werden, um Produkte mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu bilden. Zum Beispiel können solche Produkte Bereiche reduzierter Härte, reduzierter Festigkeit und/oder hoher Duktilität/Ausbeute/Dehnung in Produkten umfassen. In einer Ausführungsform kann das System und das Verfahren der vorliegenden Patentanmeldung verwendet werden, um ein Fahrzeugkarosseriesäulen, Fahrzeugwippen, Fahrzeugdachschienen, Stoßstangen, Fahrzeugtürverstärkungen zu bilden.
Obwohl die vorliegende Patentanmeldung zum Zwecke der Veranschaulichung ausführlich beschrieben wurde, versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen der Offenbarung beschränkt ist, im Gegensatz dazu sollen Modifikationen und äquivalente Anordnungen abgedeckt werden, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen. Darüber hinaus versteht es sich, dass die vorliegende Patentanmeldung in Betracht zieht, dass ein oder mehrere Merkmale einer Ausführungsform in einem möglichen Ausmaß mit einem oder mehreren Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden können

Claims

Ein Umformungssystem, umfassend: eine erste Form mit einer ersten Formoberfläche; eine zweite Form mit einer zweiten Formoberfläche; und ein Kühlsystem, das der ersten Form und der zweiten Form operativ zugeordnet ist, wobei die erste und die zweite Formoberfläche so konfiguriert sind, dass sie dazwi schen einen Formhohlraum bilden, um ein Werkstück darin aufzunehmen, ein gesintertes Material, das an gegenüberliegenden Abschnitten der ersten und der zweiten Formoberfläche vorgesehen ist, um einen Formbereich mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit zu bilden, wobei die erste Form und die zweite Form gegenüberliegende Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit aufweisen, um einen Bereich relativ hoher thermischer Leitfähigkeit zu bilden, wobei das Kühlsystem in einer wärmeleitende Beziehung mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit der ersten und der zweiten Form steht, wobei die Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit der ersten Form und der zweiten Form zusammenarbeiten, um auf entgegengesetzten Seiten des in dem Formhohlraum aufgenommenen Werkstücks zu sein, und das gesinterte Material an den gegenüberliegenden Abschnitten der ersten und der zweiten Formoberfläche zusammenwirkt, um an entgegengesetzten Seiten des in dem Formhohlraum aufgenommenen Werkstücks zu sein, und wobei Teile des Werkstücks, die in direktem Kontakt mit dem gesinterten Material sind, mit einer Abkühlgeschwindigkeit gekühlt werden, die langsamer ist als diejenige von Abschnitten des Werkstücks, die in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit stehen.
Umformungssystem nach Anspruch 1, wobei das gesinterte Material auf der ersten Form und der zweiten Form durch ein Lasersinterverfahren gebildet wird.
Umformungssystem nach Anspruch 1, wobei der Formhohlraum so konfiguriert ist, dass er eine Form aufweist, die einer Endform des Werkstücks nach einem Warmumformvorgang entspricht.
Umformungssystem nach Anspruch 1, wobei das Kühlsystem Kühlkanäle enthält, die in der ersten Form und der zweiten Form angeordnet sind.
Umformungssystem nach Anspruch 4, wobei die Kühlkanäle so konfiguriert sind, dass sie die Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit und die Abschnitte des Werkstücks, die in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit stehen, kühlen.
Umformungssystem nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit und die Oberfläche mit einer relativ geringen thermischen Leitfähigkeit der ersten Form durch einen ersten Isolatorabschnitt getrennt sind.
Umformungssystem nach Anspruch 6, wobei Oberfläche mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit und die Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit der zweiten Form durch einen zweiten Isolatorabschnitt getrennt sind.
Umformungssystem nach Anspruch 7, wobei der erste Isolatorabschnitt und der zweite Isolatorabschnitt einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Umformungssystem nach Anspruch 1, wobei die Abschnitte des Werkstücks, die in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit stehen, eine Martensit-Mikrostruktur aufweisen.
Umformungssystem nach Anspruch 1, wobei die Abschnitte des Werkstücks, die in direktem Kontakt mit dem gesinterten Material stehen, eine Mikrostruktur mit reduzierten Härteeigenschaften aufweisen.
Umformungssystem nach Anspruch 10, wobei die Mikrostruktur eine Martensitstruktur umfasst, die mit variierenden Mengen an Bainit und/oder Ferrit vermischt ist.
Verfahren zum Bilden eines Fahrzeugkarosserieteils, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines Werkstücks in einem Formsystem zum Bilden des Fahrzeugkarosserieteils, wobei das Formsystem einen thermisch isolierenden Formbereich und einen Kühlungsformbereich aufweist, wobei der thermisch isolierende Formbereich umfasst: gegenüberliegende Oberflächen mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit, die ein thermisches Isoliermaterial umfassen, und wobei das thermische Isoliermaterial auf einer ersten Form und einer zweiten Form des Formsystems durch ein additives Fertigungsverfahren ausgebildet wird; und Kühlen der Fahrzeugkarosserie in dem Formsystem, wobei Abschnitte der Fahrzeugkarosserie, die in direktem Kontakt mit dem thermisch isolierenden Formbereich stehen, mit einer Abkühlrate gekühlt werden, die langsamer ist als jene von Abschnitten der Fahrzeugkarosserie, die in direktem Kontakt mit dem Kühlungsformbereich stehen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Fahrzeugkarosserieteil Regionen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend das Erwärmen des Werkstücks auf eine Austentisierungstemperatur und das Transferieren des erwärmten Werkstücks zu dem Formsystem für den Umformungsvorgang.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Kühlungsformbereich gegenüberliegende Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit umfasst, die in einer thermisch leitenden Beziehung zu einem Kühlsystem des Formsystems stehen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das additive Fertigungsverfahren ein Lasersinterverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das additive Fertigungsverfahren ein Laser-Metallabscheidungsverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Abschnitte des Fahrzeugkarosserieteils, die in direktem Kontakt mit dem thermisch isolierende Formbereich sind, eine Mikrostruktur mit reduzierten Härteeigenschaften aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Mikrostruktur eine Martensitstruktur umfasst, die mit variierenden Mengen an Bainit und/oder Ferrit vermischt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Abschnitte des Fahrzeugkarosserieteils, die in direktem Kontakt mit dem Kühlungsformbereich stehen, eine Martensitmikrostruktur aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der thermisch isolierende Formbereich und der Kühlungsformbereich durch einen Isolatorabschnitt getrennt sind.
Ein Umformungssystem, umfassend: eine erste Form mit einer ersten Formoberfläche; eine zweite Form mit einer zweiten Formoberfläche; und ein Kühlsystem, das der ersten Form und der zweiten Form operativ zugeordnet ist, wobei die erste und die zweite Formoberfläche so konfiguriert sind, dass sie dazwischen einen Formhohlraum bilden, um ein Werkstück darin aufzunehmen, wobei ein thermisch isolierendes Material unter Verwendung eines additiven Herstellungsverfahren an gegenüberliegenden Abschnitten der ersten und der zweiten Formoberfläche ausgebildet ist, um einen Formbereich mit relativ geringer thermisch Leitfähigkeit bilden, wobei die erste Form und die zweite Form gegenüberliegende Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit aufweisen, um einen Formbereich relativ hoher thermischer Leitfähigkeit zu bilden, wobei das Kühlsystem in einer wärmeleitende Beziehung mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit der ersten und der zweiten Form steht, wobei die Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit der ersten Form und der zweiten Form zusammenarbeiten, um auf entgegengesetzten Seiten des in dem Formhohlraum aufgenommenen Werkstücks zu sein, und das thermisch isolierendes Material an den gegenüberliegenden Abschnitten der ersten und der zweiten Formoberfläche ausgebildet ist derart zusammenwirkt, um an entgegengesetzten Seiten des in dem Formhohlraum aufgenommenen Werkstücks zu sein, und wobei Teile des Werkstücks, die in direktem Kontakt mit dem thermisch isolierenden Material sind, mit einer Abkühlgeschwindigkeit gekühlt werden, die langsamer ist als diejenige von Abschnitten des Werkstücks, die in direktem Kontakt mit den Oberflächen mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit stehen.
Umformungssystem nach Anspruch 22, wobei das additive Herstellungsverfahren ein Laser-Metallabscheidungsverfahren ist.
Formungssystem nach Anspruch 22, wobei das additive Herstellungsverfahren ein Laser-Metall-Sinterverfahren ist.