DE19714989A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von zweiachsig biegesteifen mehrlagigen Blechbauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mehrlagigen Blechformteilen.

Stand der Kenntnisse

Mehrlagige Bauteile verfügen, bei entsprechender Gestaltung, über eine hohe Steifigkeit bei niedriger Masse. Außerdem können zahlreiche Nebenfunktionen in derartige Bauteile integriert werden.

Die Herstellung derartige Bauteile ist jedoch bislang aufwendig.

Im folgenden wird der Stand der Technik dargestellt. Hierzu ist es erforderlich unterschiedliche Themengebiete zu behandeln.

Herstellung von dreidimensional geformten Bauteilen durch Tiefziehen

Die Herstellung von Hohlkörpern durch Tiefziehverfahren ist seit langem bekannt und Stand der Technik. Neben dem sogenannten konventionellen Tiefziehen, bei dem das Werkzeug durch die drei Werkzeugelemente Blechhalter, Matrize und Stempel umgeformt werden, sind zahlreiche Sondertiefziehverfahren bekannt bei denen flexible Werkzeugelemente eines oder mehrere der o.a. Werkzeugelemente ersetzten.

In der industriellen Praxis werden überwiegend einlagige Halbzeuge durch diese Tiefziehverfahren umgeformt. Aber auch das Umformen von mehrlagiger Halbzeugen ist bekannt.

So ist aus Romanowski, W.P.: Handbuch der Stanzereitechnik, 5. Aufl. S. 184 das mehrschichtige Tiefziehen mehrerer Zuschnitte bekannt, die jedoch nicht miteinander verbunden sind. Dieses Verfahren wird angeblich in der Geschirrproduktion angewendet, um Faltenbildung zu vermindern und die Produktivität zu erhöhen. Es werden also mehrere offene einlagige Näpfe in einem Zug hergestellt.

Beispielsweise in OS 1254110 wird ein Verfahren zum Tiefziehen von Verbundblechen mit dreilagigem Schichtaufbau beschrieben. Dabei ist die Zwischenlage ein Kunststoff. Hier ist als Hauptnachteil zu nennen, daß sich durch die unterschiedlichen Umformgrade in den Deckblechen eine Schichtverschiebung ergibt, die von der Zwischenlage nur begrenzt ausgeglichen werden kann, so daß es zu Versagen durch Schichtablösung kommen kann. Die Umformbarkeit derartiger Schichtverbunde ist daher eingeschränkt. Außerdem ist das Recycling derartiger Bauteile durch die Mischung von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen oftmals problematisch.

Auch das Tiefziehen von Doppelblechen ohne Kunststoffzwischenschicht ist bekannt. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um metallische Bleche von denen mindestens eines höckerartige im Raster angeordnete Ausprägungen aufweist, an denen die andere Blechschicht durch ein geeignetes Fügeverfahren z. B. Schweißen befestigt ist. Problematisch ist hier, daß durch die Höckerstrukturen vor dem Tiefziehen bereits eine Steifigkeitserhöhung erfolgt ist, die das Tiefziehen erschwert. Dies bedingt hohe Umformkräfte, die wiederum den Zwischenraum lokal verringern bzw. auslöschen. Hierdurch wird das Widerstandsmoment des Mehrlagenbleches reduziert, wodurch auch die Steifigkeit der Bauteile gemindert wird.

Herstellung von mehrlagigen Bauteilen durch Fügen von vorgeformten Blechteilen

Es ist weiterhin bekannt mehrlagige Bauteile durch Fügen von z. B. durch Tiefziehen vorgeformten Bauteilen herzustellen.

In der Industrie werden unterschiedlichste Verfahren eingesetzt, um zwei oder mehr Blechlagen miteinander nach der erfolgten Vorumformung zu Fügen. Bekannt sind z. B. unterschiedlichste thermische Fügeverfahren (z. B. Widerstandsschweißen, Strahlschweißen) aber auch das Fügen durch Umformen oder Klebeverfahren.

Nachteilig ist hierbei vor allem, daß die Fügestellen räumlich angeordnet sind, wodurch ein erheblicher Fügeaufwand entsteht. Das Positionieren und Spannen der Einzelteile erfordern komplexe Vorrichtungen. Das Fügen selbst erfordert oftmals Roboter bzw. hohen manuellen Tätigkeitsanteil.

Außerdem muß jede Einzelschale einzeln hergestellt werden, so daß entsprechend viele Werkzeugsätze und Umformmaschinen vorhanden sein müssen und ein erheblicher logistischer Aufwand betrieben werden muß.

Ein weiteres Problem entsteht, insbesondere wenn dünne höherfeste Bleche tiefgezogen werden sollen, da die Umformeigenschaften derartiger Halbzeuge oftmals schlechter sind und das Tiefziehen mit starren Werkzeugen seine Verfahrensgrenzen erreicht.

Problem: Fügen von zwei oder mehreren Schalen zu einem Bauteil erfordert hohen Aufwand.

Herstellung von mehrlagigen Bauteilen Aufweiten von stellenweise gefügten Mehrlagenblechen

Z.B. aus DE 44 16 147 ist bekannt derartige Bauteile herzustellen, indem zwei Blechzuschnitte an den Rändern miteinander gefügt werden, sodann in eine Form eingelegt werden und anschließend, durch Beaufschlagen des Zwischenraumes aufgeweitet werden.

Aus DE 34 18 691 ist auch die Herstellung mehrlagiger Hohlkörper durch "Blasumformen" bekannt.

Herstellung von Plattenwärmetauschern

Aus der Herstellung von Plattenwärmetauschern ist eine ähnliche Vorgehensweise bekannt wie in DE 34 18 691 beschrieben. Viele Patente beschreiben ähnliche Verfahren zur Fertigung von ebenen Plattenwärmetauschern durch Aufweiten von gefügten Doppelblechen mit Fluiden. Dabei werden unterschiedlichste Fügeverfahren beschrieben. Aus der industriellen Fertigung ist auch bekannt, derartig hergestellte Wärmetauscher nach dem Aufweiten zu Biegen. Jedoch können so lediglich abwickelbare Geometrien hergestellt werden. Außerdem besteht die Gefahr, die Hohlräume durch den Biegeprozeß unzulässig zu deformieren.

Superplastische Umformung von gefügten Mehrlagenblechen

Im Bereich der Superplastischen Umformung sind vielfältige Verfahrensvarianten bekannt, die denjenigen im den vorigen Abschnitten beschriebenen ähneln. Hier werden neben den doppellagigen Bauteilen auch mehrlagige Strukturen erzeugt. Jedoch können die beschriebenen Prozesse nur durch die speziellen Umformeigenschaften der superplastischen Legierungen insbesondere im Zusammenhang mit dem Diffusionsschweißen erreicht werden, so daß nur wenige spezielle Legierungen eingesetzt werden können. Dadurch ist das Verfahren i.d.R. bei Temperaturen deutlich oberhalb Raumtemperatur durchzuführen.

Als gravierendste Nachteile dieser Verfahren sind einerseits die vergleichsweise teueren Werkstoffe, andererseits jedoch die niedrigen Umformgeschwindigkeiten zu nennen, die diese Verfahren in vielen Fällen unwirtschaftlich machen.

Tiefziehen von lasergefügten Doppelblechen und anschließendes Umformen mindestens eines Deckbleches mit Kugelstrahl- oder Laserstrahlumformen

In Hufenbach, W., Adam, F.: Forschung für die Praxis P307-Strukturierung und Klassifizierung von Stahlblech-Mehrschicht verbunden werden Verfahren beschrieben, um eines der Deckbleche eines tiefgezogenen Doppelbleches durch Kugelstrahlumformen aufzuwölben. Nachteilig an diesen Lösungen ist vor allem, daß das Aufwölben durch Strahlen energieaufwendig ist, nur sehr eingeschränkte Umformungen zuläßt, sehr kosten intensive Anlagen benötigt und zeitintensiv ist. Außerdem können nur die Deckbleche umgeformt werden.

Eine wirtschaftliche Anwendung dieser Verfahren erscheint daher nur für wenige Anwendungen gegeben.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein wirtschaftliches, einfaches und industrietaugliches Verfahren zur Herstellung von zweiachsig biegesteifen mehrlagigen Blechformteilen zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen in Anspruch 1-22 gelöst.

Vorteile der Erfindung

• - Es können komplexe, hochsteife, anforderungsgerecht gestaltete Bauteile erzeugt werden, die so mit anderen Verfahren nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand hergestellt werden können.
• - Durch das Fügen der Halbzeuge vor deren Umformung ist der Fügeaufwand deutlich reduziert. Es können z. B. hochautomatisierte zweiachsige Laserstrahlschweißanlagen genutzt werden.
• - Es sind im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren weniger Werkzeuge erforderlich, da nicht für jedes Einzelteil je ein Werkzeugsatz erforderlich ist, sondern nur ein Werkzeugsatz für das komplette mehrlagige Bauteil. Im Extremfall ist sogar nur ein Werkzeug erforderlich um ein hochkomplexes mehrlagiges Bauteil herzustellen.
• - Es ist im Vergleich eine drastische Verkürzung der Prozeßketten möglich, da weniger Herstellungsschritte erforderlich sind.
• - Die Reduzierung des logistischen Aufwandes kann u. a. durch die Reduzierung der Einzelteile erreicht werden.
• - Bei der Herstellung des Grundkörpers ist die Integration von Schneide- und Fügeoperation z. B. durch den Einsatz von Laseranlagen möglich.
• - U.a. durch die Kompensation von Schweißverzug durch die nachfolgenden Umformungen und die dabei mögliche "Kalibrierung" durch die Beaufschlagung mit Innendruck, können sehr gute Bauteilgenauigkeiten erreicht werden.
• - Das Verfahren kann auf konventionellen mechanischen und hydraulischen Pressen sowie auf speziell optimierten Pressen durchgeführt werden.
• - Bauteile, die umlaufend dicht verschweißt wurden und nicht ausgeschäumt wurden, können direkt als Druckspeicher, Vorratsbehälter (z. B. als Kraftstoffvorratsbehälter im Kfz), Doppelwandung (z. B. für Transportfahrzeuge mit erhöhten Sicherheitsanforderungen) genutzt werden. Eine Dichtheits- und oder Druckprüfung kann dann in den Fertigungsprozeß integriert werden.
• - Durch die Abfolge der Umformung, daß zunächst ein Tiefziehen und dann ein Streckziehen durchgeführt wird, können maximale Umformgrade erreicht werden.
• - Das Tiefziehen von Doppelblech erweitert die Verfahrensgrenzen gegenüber dem Tiefziehen der einzelnen dünnen Blechschalen.
• - Das Verfahren bietet gute Möglichkeiten zur Funktionsintegration in das Bauteil. So können z. B. Durchbrüche für Fensteröffnungen oder dergleichen vor der Vorumformung im ebenen Zuschnitt ausgeführt werden. Auch der Einsatz von Spannungsentlastungslöchern zur Erweiterung der Verfahrensgrenzen ist ohne weiteres machbar.
• - Die Optimierung der Bauteileigenschaften kann auf einfache Weise durch durch Variation von Form, Anzahl und Anordnung von Fügestellen und Zwischenlagen erreicht werden. Dabei können die Bauteileigenschaften bereits in weiten Bereichen geändert werden ohne Modifikationen am Werkzeug durchzuführen.
• - Nicht aufgeschäumte Bauteile können sehr einfach recyclet werden, insbesondere wenn ähnliche Blechwerkstoffe (wie z. B. Stähle) für alle Zuschnitte verwendet werden.
• - Zusätzlichen inneren Versteifungselemente können durch Anbringen von Blechstreifen ins Bauteil eingebracht werden. Diese Blechstreifen, die zunächst vorgebogen oder eben sein können erfahren im Verlauf der Vorumformung und des Aufweitevorganges eine Umformung. Z.B. können die Blechstreifen gebogen oder gelängt werden. Hierdurch kann eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften dieser Versteifungselemente gezielt erreicht werden.
• - Das Verfahren ist mit geschlossenen Fügenähten am Zuschnittrand sowie ohne geschlossene Fügenähte gleichermaßen durchführbar. Es gibt daher ein großes Spektrum an erzeugbaren Geometrien und möglichen Einsatzbereichen.
• - Der Druckanschluß für den Aufweitevorgang kann für den späteren Einsatz genutzt werden, z. B. als Anschlußteil oder Einfüllstutzen.
• - Durch die gezielt einstellbare Schwingungssteifigkeit der Bauteile ist das akustische Verhalten der Bauteile an den jeweiligen Anwendungsfall anpaßbar.
• - Die Kombination von Zuschnitten unterschiedlicher Qualität hinsichtlich Dicke, Werkstoff usw. erweitert das Produktspektrum.
• - Durch die im Anschluß an die Fügeoperationen durchzuführenden Umformvorgänge können Eigenspannungen, die z. B. durch den Fügeprozeß in den Werkstoff eingebracht wurden wirksam abgebaut werden.
• - Das Verfahren ermöglicht die Integration zusätzlicher Operationen. So ist z. B. das Lochen oder das Fügen durch Umformen in den Expansionsprozeß integrierbar.
• - Der Einsatz von beweglichen Werkzeugelementen wie z. B. Gegenhaltern erweitert die Verfahrensgrenzen bei der Druckbeaufschlagung.
• - Hohlräume im fertigen Bauteilkönnen zum Transport bzw. zum Leiten von Medien genutzt werden z. B. Heizungsluft, Lüftung, Heizungsflüssigkeit, Treibstoff.

Ausführungsbeispiele

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Verfahrensablauf durch Verformung der gefügten ebenen Bauteile und gezielte Endformung der Bauteile durch Druckbeaufschlagung der Hohlräume im Tiefziehwerkzeug.

Fig. 2 einen möglichen Verfahrensablauf für ein doppelwandiges Bauteil, wie es z. B. als Wärmeabschirmblech oder als Wärmetauscher eingesetzt werden kann. Hier werden zunächst zwei geometrisch ähnliche Zuschnitte miteinander vorzugsweise durch thermisches Fügen z. B. Rollnaht oder Laserstrahlschweißen verbunden, anschließend durch Tiefziehen vorgeformt und schließlich durch Beaufschlagen mit Druckflüssigkeit im Tiefziehwerkzeug in die endgültige Form gebracht.

Fig. 3 ein mehrlagiges Bauteil, bei die Druckbeaufschlagung ohne formgebendes Werkzeug durchgeführt wird.

Fig. 4 Beispiele für Zusatzoperationen die bei der Druckbeaufschlagung durchgeführt werden können, wie z. B. das Lochen.

Fig. 5 einen Bauteil-Querschnitt, bei dem die Druckbeaufschlagung mittels Aufschäumung (z. B. PUR-Schaum) durchgeführt wurde, bzw. bei dem nach erfolgter Druckbeauf­ schlagung, der Hohlraum mittels PUR-Schaum gefüllt wurde. Derartige Bauteile können zweckmäßigerweise für Wandungen von Wasserfahrzeugen (als Auftriebskörper) oder als Isolierwandung z. B. bei Kühlfahrzeugen und Behältern eingesetzt werden.

Claims (22)

1. Verfahren zum Herstellen von zweiachsig biegesteifen mehrlagigen Bauteilen aus flächigen, vorzugsweise metallischen Halbzeugen (z. B. Blech), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Zuschnitte aufeinander geschichtet werden und lokal miteinander gefügt werden, anschließend durch ein geeignetes Umformverfahren (vorzugsweise Tiefziehverfahren) eine dreidimensionale (nicht abwickelbare) Vorform erhalten und dann durch Beaufschlagen des Zwischenraumes bzw. der Zwischenräume mit einem Druckmedium die endgültige Geometrie erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Zuschnitte entlang des Umfanges druckmediendicht durch ein geeignetes Fügeverfahren miteinander verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck durch eine chemische Reaktion erzeugt wird, deren Produkte den Hohlraum ausfüllen (z. B. PUR-Schaum oder Verbrennungsreaktion).

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beaufschlagen des Zwischenraumes mit Druckmedium in einem speziellen Werkzeug durchgeführt wird, in der durch starre und bewegliche Elemente, wie z. B. Gegenhalter oder Schieber die Endgeometrie beeinflußt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beaufschlagen des Zwischenraumes bzw. der Zwischenräume ohne formgebendes Werkzeug durchgeführt wird, so daß sich die Endgeometrie entsprechend der Zuschnittgeometrie, der Vorformgeometrie, der Fügestellen und des Druckes einstellt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformprozeß durch hydromechanisches Tiefziehen oder andere Sondertiefziehverfahren durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformprozeß und die Druckbeaufschlagung durch geeignete Steuerung bzw. Regelung der Prozeßparameter gezielt beeinflußt werden kann.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorgebogene oder ebene Blechstreifen zwischen zwei einen Druckraum bildenden Zuschnitten derart angebracht werden, daß diese bei der Druckbeaufschlagung umgeformt werden (z. B. geradegebogen und oder gelängt werden), wobei eine Werkstoffverfestigung auftreten kann.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Druckraum dadurch entsteht, daß zwei Zuschnitten entlang eines geschlossenen Kantenzuges mit einer geschlossenen Folge vorgebogener Blechstreifen derart verbunden werden, daß diese sich beim Aufweiten des Hohlraumes geradebiegen bzw. Längen.

10. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nicht alle Zuschnitte die gleiche Kontur aufweisen.

11. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nicht alle Zuschnitte aus demselben Werkstoff bestehen.

12. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nicht alle Zuschnitte die gleiche Blechdicke aufweisen.

13. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr in der Trennebenen der Blechlagen im Flansch erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr in Normalenrichtung zur Trennebene der Blechlagen im Flansch erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr durch die Ziehteilwandung erfolgt, z. B. im Bereich des Ziehteilbodens durch ein bewegliches Werkzeugelement wie den Stempel.

16. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr durch ein unlösbar, fügetechnisch mit einem der Zuschnitte verbundenen Element, wie z. B. einer Anschweißmutter erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr durch ein Werkzeugelement erfolgt, welches vor dem Aufeinanderschichten der Blechlagen in den Zwischenraum eingeführt wird und im Anschluß an die Endumformung durch Krafteinwirkung nach außen eine Aushalsung, bzw. mittels entsprechender Schneidkanten einen Durchbruch im Ziehteil erzeugt.

18. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkmedienzufuhr durch mehrere, gegebenenfalls unterschiedliche Prinzipien an unterschiedlichen Stellen erfolgt.

19. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die randseitige Dichtwirkung ohne zusätzliche Dichtelemente erzeugt wird, indem durch entsprechende Wulste im Niederhalter bzw. Ziehring eine lokal erhöhte Flächenpressung in der Trennebene erzeugt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die randseitige Dichtwirkung durch zusätzliche Dichtelemente erzeugt wird, die in die Trennebene eingelegt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß keine vollständige randseitige Dichtwirkung zwischen den Zuschnitten erreicht wird, so daß ein Leckmassenstrom entsteht. Ein Druckaufbau kann dann erreicht werden, indem der Wirkmedienzufuhr-Massenstrom größer als der Leckmassenstrom eingestellt wird.

22. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.