DE19925457A1 - Verfahren zur Herstellung einer Verstärkung in einem Hohlraum eines Kfz-Bauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verstärkung in einem Hohlraum (3) eines vorzugsweise verzinkten Kfz-Bauteils, insbesondere einer A-Säule (2), B-Säule, einer C-Säule, einer D-Säule, eines Motorträgers, eines Heckträgers, eines Dachquerträgers, eines Dachholmes, eines Rahmenteils, eines Fahrwerkteils o. dgl., wobei der Hohlraum (3) mit einem Metallschaum (4) zumindest teilweise ausgeschäumt wird, so daß sich nach dem Erstarren eine aus dem Metallschaum (4) betehende Verstärkung in dem Hohlraum (3), insbesondere zur Erhöhung der Knicksteifigkeit des Bauteils und/oder der Energieaufnahme des Bauteils und/oder zur Gewichtsreduzierung des Bauteils, ergibt. Um ein Verfahren der vorgenannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem sehr leichte verstärkte Kfz-Bauteile hergestellt werden können, das Einbringen des Metallschaums als Verstärkung jedoch die Eigenschaften des Bauteils nicht beeinträchtigt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß als Metall des Metallschaums (4) Zink oder wenigstens eine Zinklegierung verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verstärkung in einem Hohl­ raum eines vorzugsweise verzinkten Kfz-Bauteils, insbesondere einer A-Säule, B-Säule, einer C-Säule, einer D-Säule, eines Motorträgers, eines Heckträgers, eines Dachquerträgers, eines Dachholmes, eines Rahmenteils, eines Fahrwerksteils o. dgl., wobei der Hohlraum mit einem Metallschaum zumindest teilweise ausgeschäumt wird, so daß sich nach dem Erstarren eine aus dem Metallschaum bestehende Verstärkung in dem Hohlraum insbesondere zur Erhöhung der Knicksteifigkeit des Bauteils und/oder der Energieaufnahme des Bauteils und/oder zur Gewichtsreduzierung des Bauteils ergibt.

Bei Kfz-Bauteilen der vorgenannten Art, und insbesondere bei Pkw-Bauteilen, ist es wichtig, daß diese so ausgebildet sind, um Personenschäden bei Unfällen zu verhin­ dern bzw. so gering wie möglich zu halten. Aus diesem Grunde werden die in der Regel aus Metall bestehenden Kfz-Bauteile verstärkt. Durch die Verstärkung soll die Knicksteifigkeit und die Energieaufnahme des betreffenden Kfz-Bauteils erhöht wer­ den.

Gerade im PKW-Bereich besteht eine wesentliche Anforderung darin, daß Kfz-Bau­ teile, insbesondere wenn sie verstärkt sind, dennoch ein möglichst geringes Gewicht haben sollen. Darüber hinaus sollen die Herstellungskosten von verstärkten Bauteilen möglichst gering sein. Wichtig ist weiterhin, daß die verstärkten Kfz-Bauteile nicht korrodieren, wobei gleichzeitig sichergestellt sein muß, daß die Verstärkung im eingebauten Zustand nicht klappert oder knirscht.

Kfz-Bauteile der eingangs genannten Art werden in der Praxis derzeit dadurch ver­ stärkt, daß aus Stahl bestehende Einsätze in die einzelnen Kfz-Bauteile eingeschweißt werden. Diese Stahleinsätze müssen, um in den Hohlraum des Bauteils passend einge­ setzt und dort angeschweißt werden zu können, zunächst durch Tiefzieh- bzw. Um­ formvorgänge in die gewünschte Form gebracht werden. Insgesamt ist das Herstellen einer derartigen, aus Stahl bestehenden Verstärkung und das anschließende An­ schweißen recht arbeitsaufwendig und kostenintensiv. Darüber hinaus erhöht sich durch die Stahl-Verstärkung das Gewicht des Kfz-Bauteils nicht unerheblich.

Aus der DE-A-196 48 164 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung einer Verstär­ kung in einem Hohlraum eines Karosserieteils bekannt, wobei der Hohlraum mit einem Metallschaum ausgeschäumt ist. Bei dem Metallschaum handelt es sich um Alumini­ umschaum. Aus Versteifungsgründen befindet sich im Aluminiumschaum ein Rah­ men- oder Rohrelement. Die bekannte Verstärkung aus Aluminiumschaum zeichnet sich dadurch aus, daß sie über eine hohe Knicksteifigkeit und ein hohes Energieauf­ nahmevermögen verfügt. Im Hinblick auf die zuvor angesprochene wesentliche An­ forderung des geringen Gewichts ist bei dem bekannten Verfahren Aluminium als Metall mit einem spezifischen Gewicht von etwa 2,7 verwendet worden.

Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist allerdings, daß das Aluminium eine relativ hohe Schmelztemperatur von etwa 660°C hat, was beim Aufschmelzen dieses Metalls im Hohlraum dazu führen kann, daß sich das Bauteil aufgrund der hohen Temperatur verzieht. Darüber hinaus kann es bei der zuvor genannten Schmelztemperatur von Aluminium bei verzinkten Bauteilen dazu kommen, daß sich die Zinkbeschichtung löst. Im übrigen ist das Korrosionsverhalten von Aluminium in Verbindung mit Stahl­ blech bzw. verzinktem Stahlblech nicht gut.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Verstärkung in ei­ nem Hohlraum eines Kfz-Bauteils der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei das verstärkte Kfz-Bauteil extrem leicht ist, das Einbringen des Metall­ schaums als Verstärkung jedoch die Eigenschaften des Bauteils nicht beeinträchtigt.

Die zuvor hergeleitete Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß als Metall des Metallschaums Zink oder wenigstens eine Zink-Legierung ver­ wendet wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der Erfindung für den speziellen Anwendungsfall bei einem Kfz-Bauteil mit der besonderen Anforderung des geringen Gewichts nicht ein Metall mit einem sehr geringen Gewicht verwendet, sondern ein solches mit einem relativ hohen spezifischen Gewicht. Da das Baugrup­ pengewicht gerade im Pkw-Fahrzeugbau eine besondere Bedeutung hat, erscheint Zink aus Ausgangsmaterial für den Metallschaum aufgrund seines relativ hohen spe­ zifischen Gewichtes von 7,2, was damit fast 3 mal höher ist als das von Aluminium, grundsätzlich als ungeeignet.

Allerdings läßt sich bei der Herstellung des Zinkschaums eine Volumenvergrößerung von wenigstens 1 : 8 erzielen, während sich bei Aluminium in der Regel nur eine Volu­ menvergrößerung von 1 : 5 erzielen läßt. Durch diese Volumenvergrößerung läßt sich das höhere spezifische Gewicht von Zink gegenüber Aluminium jedenfalls teilweise kompensieren. Wesentlich ist aber auch, daß Zink eine vergleichsweise geringe Schmelztemperatur von etwa 419°C hat, so daß die Gefahr, daß sich das Bauteil beim Aufschmelzen des Zinks im Hohlraum verzieht, erheblich verringert ist. Gerade in Verbindung mit verzinkten Bauteilen ergeben sich außerdem weitere Vorteile. Bei dem Ausschäumungsprozeß wird das verzinkte Karosserieblech zunächst einmal nicht geschädigt. Der Zinkschaum geht im übrigen mit der verzinkten Oberfläche des Bauteils eine Verbindung ein, die für die Übertragung von Kräften und Momenten vorteilhaft ist. Bei direkt ausgeschäumten Bauteilen ist damit ein Klappern, Knarren oder eine ähnliche Geräuschbildung zwischen der Verstärkung und dem Bauteil aus­ geschlossen.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß unter dem Ausdruck "Metallschaum" sowohl ein schaumartiges Material mit im wesentlichen geschlossenen Zellen bzw. Poren als auch ein schwammartiges Material (Metallschwamm) mit im wesentlichen offenen Zellen bzw. Poren verstanden wird.

Obwohl die Erfindung bevorzugt im Kfz-Bereich eingesetzt werden kann, ist sie nicht auf den Kfz-Bereich an sich beschränkt. Letztlich läßt sich die Erfindung überall einsetzen, wo die gleichen oder jedenfalls ähnliche Anforderungen an Bautei­ le wie im Kfz-Bereich gestellt werden. Zu denken ist hier beispielsweise an die Ver­ wendung bei Flugzeugen, Schienenfahrzeugen und Aufzügen.

Obwohl es grundsätzlich möglich ist, Metallschaum durch Einblasen von Gasen zu erzeugen, ist es für den vorliegenden Anwendungsfall bevorzugt, zur Herstellung des Metallschaums ein Treibmittel zu verwenden. Bei dem Treibmittel sollte es sich vor­ zugsweise um ein Metallhydrid, wie Titanhydrid, Magnesiumhydrid und/oder Zirko­ niumhydrid handeln. Um die zuvor genannte Volumenvergrößerung von wenigstens 1 : 8 zu erzielen, reichen bereits sehr geringe Mengen an Treibmittel zur Herstellung des erfindungsgemäßen Metallschaums aus. So kann der Anteil des Treibmittels zwi­ schen 0,5 und 3 Gew.-%, vorzugsweise bei etwa 1 Gew.-% liegen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorge­ sehen, daß das Metall und das Treibmittel über wenigstens einen gemeinsamen, in fe­ ster Form vorliegenden Formling in den Hohlraum eingebracht bzw. eingelegt wer­ den. Durch einen derartigen Formling, der sowohl das Metall als auch das Treibmittel aufweist, kann sichergestellt werden, daß für den betreffenden Hohlraum stets die richtige, d. h. genau vorgegebene Menge an Metall einerseits und Treibmittel ande­ rerseits zur Herstellung des erforderlichen Volumens an Metallschaum verwendet wird.

Obwohl es grundsätzlich möglich ist, die Energie zum Aufschmelzen des Metalls von außen, d. h. über oder durch das Material des Bauteils zuzuführen, ist bei einer bevor­ zugten Ausgestaltung vorgesehen, daß die Energie zum Aufschmelzen des Metalls über den Hohlraum und nicht über das Material des Bauteils zugeführt wird. Die En­ ergieeinleitung in den Hohlraum erfolgt also von quasi "innen". Durch die Energieein­ leitung von innen ist die Gefahr, daß sich das Kfz-Bauteil aufgrund der zum Auf­ schmelzen des Metalls auftretenden hohen Temperatur verzieht, erheblich verringert.

Die Energieeinleitung von innen kann durch verschiedene alternative Verfahren er­ folgen. Eine Möglichkeit besteht in der elektrischen Erhitzung. Hierbei kann das Me­ tall selbst in einen elektrischen Kreis integriert und an eine entsprechende Stromquel­ le angeschlossen sein. Des weiteren ist es möglich, eine elektrische Heizeinrichtung zu verwenden. Hierzu kann in dem Bauteil eine Heizwendel angeordnet werden, die zum Aufschmelzen des Metalls vorgesehen ist. Nach dem Aufschmelzen verbleibt die Heizwendel im Bauteil. Außerdem ist es möglich, einen bewegbaren Heizstab oder eine bewegbare Heizwendel zu verwenden, der bzw. die zum Aufschmelzen in das Bauteil hineinbewegt wird und während des Aufschmelzens bzw. der Bildung des Metallschaums aus dem Hohlraum herausgezogen wird. Bei einer alternativen Ausge­ staltung wird der Hohlraum von einem heißen Gasstrom durchströmt, wobei das Me­ tall entsprechend angeströmt wird. Bei einer anderen Möglichkeit ist eine Brennein­ richtung vorgesehen, bei der eine offene Flamme in den Hohlraum auf das Metall ge­ richtet wird. Des weiteren ist es möglich, eine Strahlungseinrichtung zu verwenden, bei der eine Wärmestrahlung abgegeben wird, die zum Aufschmelzen des Metalls führt.

Besonders bevorzugt ist es, wenn zum Aufschmelzen des Formlings ein Schmelzmittel verwendet wird, das über ein Zündmittel gezündet wird. Günstig ist es dabei, daß das Schmelzmittel und das Zündmittel über den gemeinsamen Formling in den Hohlraum eingebracht werden. Diese Ausgestaltung bietet sich grundsätzlich an, auch wenn als Metall für den Metallschaum nicht Zink, sondern ein anderes Metall wie Aluminium oder Magnesium oder Legierungen davon verwendet wird.

Bei dem Schmelzmittel kann es sich entsprechend dem Goldschmit-Verfahren um eine Mischung aus Aluminium und Metalloxiden, insbesondere um Thermit® handeln, das aus Aluminiumgrieß und pulverisiertem trockenen Eisenoxid besteht. Das Thermit® zeichnet sich dadurch aus, daß es sich nach Entzündung mit einem entsprechenden Zündmittel in wenigen Sekunden auf bis zu 2400°C erhitzen kann. Bereits eine kleine Menge an Thermit® reicht aus, um einen Formkörper aufzuschmelzen, so daß das flüssige Metall mit dem Treibmittel unter Bildung des Metallschaums reagiert. Bei dem Zündmittel handelt es sich um allgemein bekannte Zündmittel wie Zündstäbe, die beispielsweise zur Zündung von Thermit® verwendet werden.

Statt des Einbringens eines Formlings in den Hohlraum und damit der Verflüssigung des Metalls im Hohlraum ist es auch möglich, die Verflüssigung des Metalls außerhalb des Bauteils vorzunehmen. Bei einer Alternative ist vorgesehen, daß das Treibmittel dem Metall außerhalb des Hohlraums zugegeben und dann, unmittelbar nach der Zugabe des Treibmittels zum Metall, direkt in den Hohlraum als sich ggf. gerade bil­ dender Metallschaum eingebracht wird. Der nach dem Einbringen des Treibmittels in das Metall entstehende Metallschaum wird bei dieser Variante direkt in den Hohlraum eingeschäumt und erstarrt dort. Diese Art des Einbringens erfordert nur eine geringe Anzahl von Arbeitsschritten und ist am Bauteil selbst leicht durchzuführen.

Alternativ ist es auch möglich, daß das Metall in flüssiger Form und gleichzeitig oder wenige Sekunden später das Treibmittel - getrennt vom Metall - in den Hohlraum eingebracht werden. Bei dieser Impf- bzw. Injektionsbehandlung entsteht der Metall­ schaum erst im Hohlraum selbst, der dann ebenfalls dort erstarrt. Bei beiden Alternati­ ven ist es so, daß der Hohlraum des Bauteils innerhalb weniger Sekunden nach dem Einbringungsvorgang mit Metallschaum gefüllt ist. Der gesamte Einbringungsvor­ gang dauert also nur sehr kurze Zeit.

Außerdem ist es möglich, das Treibmittel vor dem Einbringen des Metalls in den Hohl­ raum einzubringen. Hierbei sind grundsätzlich verschiedene Verfahren möglich. Beim sogenannten Sandwich-Verfahren befindet sich das Treibmittel in einer vorzugsweise aus dem jeweiligen Metall bestehenden Box. Diese wird vom in den Hohlraum ein­ strömenden Metall aufgeschmolzen, so daß das Treibmittel zur Schaumbildung frei­ gegeben wird. Außerdem ist es möglich, das Treibmittel in Tablettenform in den Hohl­ raum des Bauteils einzugeben, bevor das Metall in den Hohlraum eingebracht wird. Weiterhin ist es möglich, in den Hohlraum des Bauteils einen aus dem betreffenden Metall und dem Treibmittel bestehenden Formkörper einzulegen. Dieser Formkörper gibt beim Einbringen des flüssigen Metalls das Treibmittel frei und wird im übrigen jedenfalls angeschmolzen. Darüber hinaus dient der Formkörper dazu, Wärmeenergie aus dem flüssigen Metall aufzunehmen, so daß keine zu starke Erhitzung des Bauteils beim Einbringen des Metalls auftritt. Des weiteren kann das Treibmittel in Form von Injektionsdraht und/oder vorzugsweise mit dem betreffenden Metall ummantelten Injektionsstücken zu jedem Verfahrenszeitpunkt dem flüssigen Metall zugegeben werden.

Herstellungstechnisch erfolgt das Einbringen des Metallschaums derart, daß zunächst das Bauteil in ein erstes Formteil einer Form eingelegt wird. Anschließend werden die Form und auch der Hohlraum über wenigstens ein zweites Formteil geschlossen, so daß dann der Metallschaum bzw. das Metall und das Treibmittel über wenigstens eine Einfüllöffnung in die geschlossene Form bzw. den geschlossenen Hohlraum einge­ bracht werden können. Alternativ kann das Treibmittel auch vorab in den Hohlraum eingebracht werden, wie dies zuvor beschrieben worden ist.

Bauteile der eingangs genannten Art weisen in der Regel Öffnungen auf, die in den Hohlraum münden. Derartige Öffnungen im Bauteil werden durch die zuvor ge­ nannte Form zumindest im wesentlichen abgedichtet, so daß der Metallschaum beim Einbringen nicht aus dem Hohlraum bzw. dem Bauteil herausschäumt.

Um zu verhindern, daß sich die Bauteile beim Einbringen des flüssigen Metallschaums in den Hohlraum bzw. bei der Reaktion und beim Aufschäumen des Formlings im Hohlraum zu stark erhitzen, und dabei möglicherweise bestimmte Festigkeitseigen­ schaften verlieren, ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgese­ hen, daß die Form bzw. das Bauteil zumindest teilweise gekühlt wird. Allerdings ist festgestellt worden, daß es bei Verwendung von Zink grundsätzlich auch möglich ist, ohne eine Kühlung der Form zu arbeiten. Sobald nämlich das Zink bzw. der Zink­ schaum in flüssiger Form in das Bauteil eingebracht bzw. eingeschäumt wird, ergibt sich sofort eine Temperaturverminderung und ein zum Bauteil hin abnehmender Temperaturgradient.

Grundsätzlich ist es aber auch möglich, in den Hohlraum des Bauteils zunächst einen aus Metallschaum bestehenden Formkörper einzulegen. Dieser Formkörper ist zuvor bereits hergestellt worden. Der Formkörper kann grundsätzlich aus jedem Metall be­ stehen; bevorzugt ist jedoch wiederum Zink. Der Formkörper hat solche Abmaße, daß zwischen der Wandung des Kfz-Bauteils und dem Formkörper ein hinreichender Freiraum vorhanden ist, in den Metallschaum bzw. Metall einfließen kann. Zur Offen­ haltung des Freiraums sind entsprechende Abstandshalter vorgesehen, die auch am Formkörper selbst ausgebildet sein können. Um dabei eine gute Verbindung zwi­ schen dem in den Freiraum eingebrachten Metallschaum und dem Formkörper sowie dem Kfz-Bauteil an sich zu erzielen, sollten am Formkörper und am Kfz-Bauteil Hin­ terschneidungen und/oder korrespondierende Eingriffsabschnitte o. dgl. vorgesehen sein, so daß sich nach dem Erstarren des in den Freiraum eingebrachten Metall­ schaums eine feste Verbindung ergibt, ist jedoch optional.

Bei einer weiteren grundsätzlichen erfindungsgemäßen Alternative ist vorgesehen, daß in den Hohlraum ein aus einem Metallschaum bestehender, fester Formkörper als Verstärkung eingebracht wird. Um ein Klappern oder Knirschen des auf diese Weise eingebrachten Formkörpers zu verhindern, und dabei gleichzeitig eine möglichst ein­ fache Art der Befestigung des Formkörpers am Bauteil bzw. im Hohlraum zu gewähr­ leisten, sind die ursprünglichen Abmaße des Formkörpers zumindest an seinem dem Hohlraum zugewandten Bereich jedenfalls derart geringfügig größer als die Abmaße des Hohlraumes, daß der Formkörper nach seinem Einbringen lediglich über eine Ver­ spannung, also über eine reibschlüssige Verbindung im Hohlraum des Bauteils gehal­ ten wird. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, daß der Formkörper in den Hohlraum eingepreßt wird.

Statt der reibschlüssigen Verbindung ist es auch möglich, daß am Formkörper und/oder am Kfz-Bauteil an sich entsprechende Hinterschnitte bzw. Eingriffsmittel vorgesehen sind, um zwischen diesen beiden Bauteilen eine formschlüssige Verbin­ dung zu realisieren.

Um die Gefahr des Verzuges des Bauteils bei Erhitzung zum Aufschmelzen des Me­ talls weiter zu verringern, ist es von Vorteil, wenn das Bauteil während des Auf­ schmelzens des Metalls und/oder der Bildung des Metallschaums zumindest teilweise von außen gekühlt wird. Die Kühlung (unterhalb der Zimmertemperatur) erfolgt da­ bei in der Regel über eine Form, in die das Bauteil zusammen mit dem Formling einge­ legt wird. Aber auch eine unmittelbare Kühlung des Bauteils ist ohne weiteres mög­ lich.

Da der Hohlraum beim Aufschäumen des Metallschaums in der Regel vollständig ausgefüllt wird, bietet es sich an, in den Hohlraum vor dem Aufschmelzen des Metalls wenigstens ein nicht aufschmelzendes Leerrohr einzulegen, durch das dann bedarfs­ weise Kabel hindurchgeführt werden können.

Um die geforderte Qualität der Verstärkung in dem Hohlraum des Bauteils stets ge­ währleisten zu können, ist bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung vorgesehen, daß nach dem Aufschäumen und Erstarren die Porenstruktur des Metallschaums überprüft wird. Diese Messung der Porenstruktur, die beispielsweise über einen Druckabfall ermittelt werden kann, kann unabhängig davon erfolgen, ob das Metall in fester Form mit dem Formling in den Hohlraum eingebracht worden ist oder aber ob das Metall oder der Metallschaum in flüssiger Form in den Hohlraum eingebracht worden ist.

Des weiteren betrifft die Erfindung einen Formling zur Herstellung einer vorgenann­ ten Verstärkung aus Metallschaum. Der Formling weist erfindungsgemäß Zink oder wenigstens eine Zink-Legierung als Metall in fester Form sowie ein Treibmittel, insbe­ sondere in Form von Metallhydrid, vorzugsweise Titanhydrid, Magnesiumhydrid und/oder Zirkoniumhydrid mit einem Anteil von größer 0,5 Gew.-% auf und ist zum Einsetzen bzw. Einlegen in den Hohlraum eines Kfz-Bauteils, das zu verstärken ist, vorgesehen.

Vorzugsweise ist bei dem zuvor genannten Formling vorgesehen, daß dieser nicht nur das Metall, bei dem es sich nicht notwendigerweise um Zink handeln muß, und das Treibmittel, sondern auch ein Schmelzmittel und ein Zündmittel für das Schmelzmittel aufweist. Bei dem Schmelzmittel handelt es sich vorzugsweise um eine Zusammenset­ zung aus Aluminium und Metalloxiden, um nach Zündung hohe Temperaturen zu er­ reichen und dadurch den Formling aufzuschmelzen. Bevorzugt wird Thermit® ver­ wendet. Der Formling wird somit also unter Zuhilfenahme des Goldschmit-Verfahrens aufgeschmolzen. Zur Zündung des Schmelzmittels können alle üblichen Zündmittel verwendet werden, insbesondere solche, die sich zur Zündung von Thermit® eignen.

Grundsätzlich ist es möglich, den Formling mit seinen zuvor genannten Komponen­ ten, die jedenfalls zumindest teilweise in Pulverform vorliegen, zu pressen. Um als Massenprodukt hergestellt werden zu können, bietet sich jedoch eine andere Art der Herstellung an. Hierzu wird das Metall zunächst zu einem Blech gewalzt. Das Blech wird dann zumindest teilweise mit dem Treibmittel beschichtet und anschließend wird der Formling gerollt, insbesondere spiralgerollt. Dabei sollte sich eine feste Packung mit einer Packungsdichte von mehr als 80% ergeben. Nach dem Rollen ist es grund­ sätzlich möglich, die beiden Enden und die außenliegende Längsnaht gasdicht zu schließen. Die beiden Enden können dabei zusammengequetscht oder verlötet wer­ den, während die Längsnaht gefalzt oder ebenfalls gelötet werden kann. Das Schmelzmittel kann dabei im übrigen auch als Beschichtung aufgebracht werden oder aber als Seele ausgebildet und in den Formling eingerollt sein.

Vorzugsweise weist der Formling - jedenfalls auf seiner Außenseite - nach außen wei­ sende Vorsprünge auf. Wenn der Formling in den Hohlraum eingelegt ist, wirken die Vorsprünge als Abstandshalter und bieten damit nicht nur eine große Angriffsfläche bei der Energieeinleitung, es ist auch sichergestellt, daß die Kontaktbereiche zwi­ schen der Wandung und dem Formling und damit die Wärmeübertragungsfläche zur Wandung des Kfz-Bauteils verringert ist.

Neben dem Verfahren zum Einbringen einer Verstärkung in einen Hohlraum eines Kfz-Bauteil betrifft die folgende Erfindung aber auch ein derartiges Kfz-Bauteil an sich. Dieses ist, wie zuvor bereits beschrieben worden ist, mit einer aus einem Metall­ schaum aus Zink oder einer Zinklegierung bestehenden Verstärkung versehen, die entweder als flüssiger Schaum direkt oder als fester Formkörper in den Hohlraum ein­ gebracht worden ist. Auch eine Mischform, wie zuvor beschrieben, ist möglich. Es ist darauf hinzuweisen, daß unter dem Ausdruck "Kfz-Bauteil" nicht nur ein einzelnes Bauteil an sich, sondern daß hierunter auch ganze Baugruppen verstanden werden.

Grundsätzlich ist es möglich, daß der Metallschaum zumindest im wesentlichen offen­ zellig oder aber geschlossenzellig ausgebildet ist. Bei Verwendung des Metall­ schaums als Verstärkung bei einem Kfz-Bauteil sollte die Offenzelligkeit, d. h. die Größe der einzelnen Zellen, derart sein, daß Tauchgrund aus dem Schaum wieder ab­ fließen kann oder aber erst gar nicht in den Metallschaum eindringt. Um von vorn­ herein zu verhindern, daß der Tauchgrund beim Eintauchen des Bauteils in den Schaum eindringt, könnte auch entweder ein geschlossenzelliger Metallschaum ver­ wendet werden oder aber zumindest der äußere Bereich des Metallschaums im we­ sentlichen geschlossenzellig ausgebildet sein, so daß sich quasi eine geschlossene Außenhaut ergibt. Eine derartige Ausbildung läßt sich bei Herstellung des Metall­ schaums ohne weiteres realisieren.

Die Erfindung betrifft schließlich auch eine Vorrichtung zum Einbringen eines Metall­ schaums in einen Hohlraum eines Kfz-Bauteils, insbesondere einer A-Säule, B-Säule, einer C-Säule, einer D-Säule, eines Motorträgers, eines Heckträgers, eines Dachquer­ trägers, eines Dachholmes, eines Rahmenteils, eines Fahrwerksteils o. dgl., mit wenig­ stens einem Schmelzofen für das Zink als Metall, wenigstens einer Einrichtung zur Zugabe von Treibmittel, und einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Zugabe­ menge des Metalls und des Treibmittels zum Hohlraum. Weiterhin kann eine von der Steuereinrichtung angesteuerte Ventileinrichtung vorgesehen sein. Durch eine derar­ tige Vorrichtung lassen sich das erfindungsgemäße Verfahren und dabei die gesteuer­ te Zugabe von Metall und Treibmittel ohne weiteres realisieren.

Um den Metallschaum direkt in den Hohlraum einbringen zu können, bietet es sich an, wenn die Vorrichtung eine Mischkammer aufweist, die einerseits mit dem Schmelzofen und andererseits mit der Einrichtung zur Zugabe des Treibmittels, wobei es sich um eine Injektionseinrichtung handeln kann, verbunden ist, wobei im An­ schluß an den Schmelzofen und auch im Anschluß an die Mischkammer wenigstens ein Förderrohr zur Förderung des Metallschaums in den Hohlraum vorgesehen ist. Grundsätzlich kann auf die Mischkammer aber auch verzichtet werden. In diesem Falle ist die Injektionseinrichtung für das Treibmittel direkt mit dem Förderrohr ver­ bunden oder aber fördert das Treibmittel unmittelbar in den Hohlraum.

Um ein vorzeitiges Erstarren des Metalls und/oder des Metallschaums zu verhindern, sollten die Mischkammer und/oder das Förderrohr beheizt sein.

Um eine gute Durchmischung des Metalls und des Treibmittels und damit einen ho­ mogenen Schaum zu erzielen, bietet es sich außerdem an, daß ein Rührwerk in der Mischkammer vorgesehen ist und/oder das Treibmittel im Bereich des Bodens der Mischkammer in die Mischkammer eingebracht, vorzugsweise eingeblasen wird.

Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin zweckmäßiger­ weise eine Form zum Einlegen wenigstens eines Bauteils mit einem unteren Formteil und einem oberen Formteil auf, wobei die Form über wenigstens eine Einfüllöffnung mit dem Förderrohr verbunden ist bzw. verbindbar ist. Desweiteren kann der Form eine Kühleinrichtung zugeordnet sein.

Die Förderung des Metalls und/oder des Treibmittels und/oder des Metallschaums kann derart sein, daß sich eine Schwerkraftförderung ergibt. Alternativ können För­ derpumpen einer Fördereinrichtung vorgesehen sein.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines teilweise dargestellten Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäß verstärkten A-Säule,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der A-Säule aus Fig. 1 entlang der Schnittlinie II-II aus Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrensschrittes bei der Herstel­ lung eines erfindungsgemäßen Formlings,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines spiralgerollten, endseitig noch nicht abgeschlossenen Formlings,

Fig. 5 eine Ansicht eines fertiggestellten Formlings,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Formlings,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines noch nicht vollständig zusammengerollten Formlings und

Fig. 8 eine Schnittansicht eines Teils des Formlings aus Fig. 7.

In Fig. 1 ist ein Teil eines Kraftfahrzeugs 1 dargestellt, wobei es sich um einen Perso­ nenkraftwagen handelt. Die Karosserie des Kraftfahrzeugs 1 besteht aus einer Reihe von Bauteilen wie verschiedenen Säulen, Trägem, Holmen und Rahmenteilen. In Fig. 1 ist als Bauteil eine A-Säule 2 dargestellt. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, weist die A-Säule 2 einen Hohlraum 3 auf, der mit Metallschaum 4 ausgeschäumt ist. Der Metall­ schaum 4 bildet dabei eine Verstärkung in dem Hohlraum 3, die zur Erhöhung der Knicksteifigkeit, der Energieaufnahme und zur Gewichtsreduzierung des verstärkten Bauteils dient.

Wesentlich ist nun, daß es sich bei dem Metall des Metallschaums um Zink oder eine Zink-Legierung handelt. Zur Herstellung des Metallschaums ist ein Metallhydrid als Treibmittel 7 verwendet worden.

Die in Fig. 2 dargestellte Verstärkung in dem Hohlraum 3 ist durch einen Formling hergestellt worden, wie er in den Fig. 4 bis 6 dargestellt ist. Der Formling 5 besteht aus einem gewalzten Blech 6, das, wie sich aus den Fig. 4 und 7 ergibt, spiralgerollt ist. Das Blech 6 kann, wie sich aus Fig. 3 ergibt, mit dem Treibmittel 7 beschichtet werden. Dies ist durch den Pfeil 8 in Fig. 3 dargestellt. Bei der in den Fig. 3 bis 6 dar­ gestellten Ausführungsform ergibt sich nach dem Rollen des Formkörpers 5 eine rela­ tiv hohe Packungsdichte. Hiervon unterscheidet sich die in den Fig. 7 und 8 darge­ stellte Ausführungsform, wobei am Blech 6 Vorsprünge 9 vorgesehen sind, die nach außen weisen, so daß der Formling 5, wenn er in den Hohlraum 3 eingelegt ist, von der Wandung des Bauteils über die Vorsprünge 9 beabstandet ist. Auch sind die ein­ gerollten Blechbereiche über die Vorsprünge 9 beabstandet, so daß die Oberfläche des eingerollten Formlings 5 relativ groß ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß sich Vorsprünge 9 lediglich an der Außenseite des Formlings 5 befinden, nicht jedoch an den inneren eingerollten Bereichen. Mit Ausnahme der Vorsprünge 9 unterschei­ den sich die Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und Fig. 7 nicht.

Nach dem Rollen des in Fig. 4 dargestellten Formlings 5 werden die beiden Enden 10, 11 des Formlings 5 und die außenliegende Längsnaht 12 gasdicht geschlossen. Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind die beiden Enden 10, 11 flachge­ preßt und verlötet. Auch die Längsnaht 12 ist verlötet. Zusätzlich zur Beschichtung mit dem Treibmittel 7 kann auf das Treibmittel ein Schmelzmittel als Beschichtung aufgebracht werden. Im einzelnen ist dies nicht dargestellt. Lediglich die Aufbrin­ gung an sich ist durch den Pfeil 13 in Fig. 3 dargestellt. Das Schmelzmittel selbst be­ steht aus Eisenoxid und Aluminium. Statt als Beschichtung, wie dies in Fig. 3 durch den Pfeil 13 angedeutet ist, kann das Schmelzmittel auch als Seele 14 ausgebildet und in den Formling 5 mit eingerollt sein. Dies ist in Fig. 6 dargestellt. Zur Zündung des Schmelzmittels dient ein Zündmittel 15, der mit dem Schmelzmittel verbunden ist. Das Zündmittel 15 kann an beiden Enden 10, 11 oder auch nur an einem Ende vorgese­ hen sein.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung einer Verstärkung in einem Hohlraum (3) eines vorzugs­ weise verzinkten Kfz-Bauteils, insbesondere einer A-Säule (2), B-Säule, einer C-Säule, einer D-Säule, eines Motorträgers, eines Heckträgers, eines Dachquerträgers, eines Dachholmes, eines Rahmenteils, eines Fahrwerksteils o. dgl., wobei der Hohlraum (3) mit einem Metallschaum (4) zumindest teilweise ausgeschäumt wird, so daß sich nach dem Erstarren eine aus dem Metallschaum (4) bestehende Verstärkung in dem Hohl­ raum (3) insbesondere zur Erhöhung der Knicksteifigkeit des Bauteils und/oder der Energieaufnahme des Bauteils und/oder zur Gewichtsreduzierung des Bauteils ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall des Metallschaums (4) Zink oder wenig­ stens eine Zink-Legierung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Me­ tallschaums (4) wenigstens ein Treibmittel verwendet wird und daß, vorzugsweise, als Treibmittel wenigstens ein Metallhydrid, insbesondere Titanhydrid, Magnesiumhydrid und/oder Zirkoniumhydrid mit einem Anteil von größer 0,5 Gew.-% verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das Metall und das Treibmit­ tel über wenigstens einen gemeinsamen, in fester Form vorliegenden Formling (5) in den Hohlraum (3) eingebracht werden und daß das Metall nach Erhitzen und Auf­ schmelzen durch Reaktion mit dem Treibmittel den Metallschaum (4) bildet.

4. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie zum Auf­ schmelzen des Formlings (5) nicht über oder durch das Material des Bauteils zuge­ führt wird und daß, vorzugsweise, zum Aufschmelzen des Formlings (5) ein Schmelzmittel verwendet wird, das über ein Zündmittel (15) gezündet wird, wobei das Schmelzmittel und das Zündmittel (15) über den gemeinsamen Formling (5) in den Hohlraum (3) eingebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall in flüssiger Form und das Treibmittel außerhalb des Hohlraums (3) zusammengegeben werden, wobei das Metall unmittelbar nach der Zugabe des Treibmittels zum Metall in den Hohlraum (3) eingebracht wird, oder daß das Metall in flüssiger Form in den Hohlraum (3) eingebracht wird und das Treibmittel gleichzeitig oder wenige Sekun­ den später - getrennt vom Metall - in den Hohlraum (3) eingebracht wird oder bereits vor dem Einbringen des Metalls in den Hohlraum (3) eingebracht worden ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil in ein erstes Formteil einer Form eingelegt wird, daß die Form nach dem Einlegen des Bauteils durch wenigstens ein zweites Formteil geschlossen wird, daß der Metallschaum bzw. das Metall über wenigstens eine Einfüllöffnung der ge­ schlossenen Form in den Hohlraum eingebracht wird, wobei etwaige Öffnungen im Bauteil durch die Form zumindest im wesentlichen abgedichtet werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil während des Aufschmelzens des Metalls und/oder der Bildung des Metallschaums (4) zumindest teilweise von außen gekühlt wird, daß, vorzugsweise, in den Hohlraum (3) vor dem Aufschmelzen des Metalls wenigstens ein Leerrohr einge­ legt wird und daß, vorzugsweise, die Porenstruktur des Metallschaums (4) nach des­ sen Erstarrung überprüft wird.

8. Formling (5) zur Herstellung einer aus Metallschaum (4) bestehenden Verstärkung in einem Hohlraum (3) eines Kfz-Bauteils, insbesondere einer A-Säule (2), B-Säule, ei­ ner C-Säule, einer D-Säule, eines Motorträgers, eines Heckträgers, eines Dachquerträ­ gers, eines Dachholmes, eines Fahrwerksteils o. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß der Formling (5) Zink oder wenigstens eine Zink-Legierung als Metall in fester Form sowie ein Treibmittel, insbesondere in Form von Metallhydrid, vorzugsweise Titanhy­ drid, Magnesiumhydrid und/oder Zirkoniumhydrid mit einem Anteil von größer 0,5 Gew.-%, aufweist.

9. Formling nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 und insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formling (5) ein Schmelzmittel, insbesondere auf der Basis von Thermit®, und ein Zündmittel (15) für das Schmelzmittel aufweist.

10. Formling nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall zu ei­ nem Blech (6) gewalzt ist, daß das Blech (6) zumindest teilweise mit dem Treibmittel (7) beschichtet ist und vorzugsweise gerollt, insbesondere spiralgerollt, ist und daß, vorzugsweise, das Metall zumindest teilweise mit dem Schmelzmittel beschichtet ist und/oder daß das Schmelzmittel als Seele (14) ausgebildet und in den Formling (5) eingerollt ist.