DE19925457C2 - Verfahren zur Herstellung einer Verstärkung in einem Hohlraum eines Kfz-Bauteils - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer Verstärkung in einem Hohlraum eines Kfz-BauteilsInfo
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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-
Bauteile, 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 195 01 659 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metallschaum
teils aus einer Schicht aus einem Metall und einem Treibmittel bekannt, wobei die
Schicht durch Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des
Metalls aufgeschäumt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Schicht
durch gemeinsames thermisches Spritzen eines Metallpulvers und Treibmittels auf ein
entsprechend dem zu bildenden Teil geformtes Substrat gebildet wird, wobei das Me
tallpulver eine mittlere Teilchengröße aufweist, die kleiner ist als die mittlere Teilchen
größe des Treibmittels. Nach dem bekannten Verfahren wird ein Substrat verwendet,
daß entsprechend dem Bauteil geformt ist das hergestellt werden soll. Entsprechend
dem Bauteil kann das Substrat eine beliebige Form besitzen. Nach dem bekannten
Verfahren kann jeder beliebige Gegenstand mit einem Metallschaum versehen
werden, sofern er der Temperatur standhält, der er beim thermischen Spritzen mit dem
Metallpulver ausgesetzt ist. Das Substrat kann ferner aus einem beliebigen Material
bestehen, sofern dieses einen Schmelzpunkt aufweist, der über dem der
Schäumtemperatur des Metallschaums liegt, also über dem Schmelzpunkt des Metalls
des Metallschaums. Das Substrat kann beispielsweise aus einem Metall oder einem
anderen hochschmelzenden Material, insbesondere keramischen Materialien beste
hen. Als Substrat eignen sich daher Aluminium, Titan, Kupfer oder eine Legierung
dieser Metalle oder Stahl. Auf das Substrat wird nach dem bekannten Verfahren eine
Spritzschicht durch thermisches Spritzen eines Metallpulvers gemeinsam mit dem
Treibmittel aufgetragen. An das Aufspritzen schließt sich bei dem bekannten
Verfahren das Aufschäumen der Spritzschicht an. Dabei wird die Spritzschicht zur
Bildung des Metallschaums auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur und
oberhalb der Schaumbildungstemperatur des Treibmittels erwärmt.
Aus der DE 196 48 164 A1 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.
In der DE 195 01 508 C1 wird ein Bauteil für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs
beschrieben, welches aus Aluminiumdruckguß besteht und ein Hohlraumprofil auf
weist, in dessem Hohlraum sich ein Kern aus Aluminiumschaum befindet. Zur Herstel
lung eines solchen Bauteiles ist es vorgesehen, in eine Druckgußform Kerne aus Alu
miniumschaum einzubringen, die nach dem Einpressen des Aluminiums in das Form
werkzeug im Bauteil aus Aluminiumdruckguß verbleiben. Zur Erzielung hochsteifer
und gewichtsminimierter Bauteile werden Kerne aus vorgeformtem Aluminium
schaummaterial verwendet. Der Aluminiumschaum besteht aus einer Mischung von
Aluminiumpulver mit einem Treibmittel, zum Beispiel Titanhydrid. Diese Pulvermi
schung wird in eine Form entsprechend der Kernkontur eingebracht und auf etwa
800° Celsius erhitzt. Bei dieser hohen Temperatur setzt das Treibmittel eingeschlos
senes Gas frei, so daß es ähnlich wie beim Polyurethanschaum wirksam ist und das
Aluminiumpulver aufschäumt. Gleichzeitig werden Aluminiumkörner zusammenge
backen, so daß eine schaumige Masse die Kontur der Kernform ausfüllt. Ein in dem
Bauteil verbleibender Kern aus aufgeschäumtem Aluminium ist sehr druckfest, hat ein
geringes Gewicht, eignet sich im Crashfalle zur Energieabsorption und weist eine ge
schlossene Porosität auf. Vor allem wird durch den in dem Bauteil verbleibenden
Kern aus aufgeschäumtem Aluminium eine wesentliche Erhöhung der Biegefestigkeit
des Hohlprofiles erreicht.
Nachteilig bei den 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 Bauteile
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 bildender
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 Dachquerträgers,
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, Trägern, 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 Metallschaum
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 S, 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, daß
das Metall und das Treibmittel über wenigstens einen gemeinsamen, in fester Form
vorliegenden Formling (5) in den Hohlraum (3) eingebracht werden und daß das
Metall nach Erhitzen und Aufschmelzen 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.
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