DE19934490C1 - Verfahren zur Herstellung maßgerechter Platinen sowie maßgerechte Platine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung maßgeschneiderter Platinen mit Abschnitten voneinander abweichenden Materialeigenschaften von metallischem Schaumwerkstoff, wobei ein aufschäumbarer Pressling in Form von einer verdichteten Mischung aus zumindest einem Metallpulver und zumindest einem gasabspaltenden Treibmittelpulver mit zumindest einer Deckschicht versehen wird und sodann so hergestellter Verbund durch ein thermisches Verfahren aufgeschäumt wird. Um eine vereinfachte Fertigung zu erzielen, wobei gleichzeitig sichergestellt werden soll, dass bei der Herstellung und somit auch beim Endprodukt der Schaumwerkstoff in sämtlichen Bereichen, also auch in den Randbereichen gewünschte Materialeigenschaften aufweist, wobei gezielt und gegebenenfalls auch in eng nebeneinanderliegenden Bereichen unterschiedliche Materialeigenschaften vorliegen sollen, wird vorgeschlagen, dass der zumindest einen Deckschicht abschnittsweise mehrere Presslinge derart zugeordnet werden, dass Bereiche in der Platine entstehen, die schaumwerkstofffrei oder voneinander abweichende Schaumwerkstoffdimensionierungen und/oder -eigenschaften aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen maßgerechter Platinen mit Abschnitten voneinander abweichenden Materialeigenschaften unter Verwendung von metallischem Schaumwerkstoff, wobei ein aufschäumbarer Pressling in Form von einer verdichteten Mischung aus zumindest einem Metallpulver und zumindest einem gasabspalten­ den Treibmittelpulver mit zumindest einer Deckschicht versehen wird und der so hergestellte Verbund sodann durch ein thermisches Verfahren aufgeschäumt wird.

Maßgeschneiderte Platinen, sogenannte Tailored Blanks können durch Aneinanderfügen verschiedener Einzelbleche erzeugt werden, die auf den jeweiligen Anwendungsfall abge­ stimmt sind. Dabei können die Einzelbleche aus verschiedenen Stahlgüten, Dicken und/oder metallischen Überzügen in ebenem Zustand miteinander verschweißt und sodann einer Formgebung unterworfen werden.

Tailored Blanks finden insbesondere im Pkw-Karosseriebau Anwendung und ersetzen Bauteile, bei denen bei einer konventionellen Fertigung Verstärkungen an Kraftangriffs­ punkten nachträglich angeschweißt werden müssen.

Es ist auch bereits bekannt, Tailored Blanks mit aufschäumbaren Aluminiumschaum-Sand­ wich-Abschnitten aufzubauen, wobei diese einen aufschäumbaren Kern mit plattierten Außen­ wandungen aufweisen. Die entsprechenden Sandwich-Bereiche werden sodann insbesondere mittels Laserstrahl zurechtgeschnitten und anschließend mit z. B. aus Aluminium bestehenden Blechen verschweißt. Die Sandwiche selbst können zuvor durch Tiefziehverfahren oder sonstige Formgebung eine gewünschte dreidimensionale Gestalt erfahren. Die Sandwich- Abschnitte werden dabei in den Bereichen eingesetzt, in denen eine erhöhte Steifigkeit und Energieabsorption bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung gewünscht wird. Dadurch, dass die Sandwich-Abschnitte zurechtgeschnitten werden müssen, tritt einerseits in dem Bereich der Trennstellen und andererseits beim späteren Verschweißen im Bereich der Schweißnähte selbst bereits eine Zersetzung des in dem Kern vorhandenen Treibmittels ein, bevor das eigentliche Aufschäumen durch Wärmeprozess erfolgt. Hierdurch bedingt sind die entspre­ chenden Schnittkanten und Schweißnähte in ihren Materialeigenschaften und in der Porosität von dem verbleibenden Metallschaumwerkstoff unterschiedlich (s. "Tailored Blanks with Foamable Alumium Sandwich Material", Braune R., Otto A., Shemet 99).

Aus der DE-OS 21 19 490 ist eine Sandwichplatte bekannt, die aus einem aufgeschäumten Metallkern und zwei Deckschichten besteht, die untereinander vorzugsweise durch mecha­ nische Befestigungsmittel verbunden sind. Auch besteht die Möglichkeit, den Kern mit einer Metallhaut zu versehen, die während des Aufschäumens des Metallkerns aus der äußeren Schaumoberfläche gebildet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genann­ ten Art sowie eine maßgerechte Platine (Tailored Blanks) selbst zur Verfügung zu stellen, durch die eine vereinfachte Fertigung erzielbar ist, wobei gleichzeitig sichergestellt sein soll, dass bei der Herstellung und somit auch beim Endprodukt der Schaumwerkstoff in sämtlichen Bereichen, also auch in den Randbereichen gewünschte Materialeigenschaften aufweist, wobei gezielt und gegebenenfalls auch in eng nebeneinanderliegenden Bereichen unterschiedliche Materialeigenschaften vorliegen sollen.

Verfahrensmäßig wird das Problem erfindungsgemäß im Wesentlichen dadurch gelöst, dass der zumindest einen Deckschicht abschnittsweise ein Pressling oder mehrere Presslinge derart zugeordnet werden, dass Bereiche in der Platine entstehen, die schaumwerkstofffrei oder von­ einander abweichende Schaumwerkstoffdimensionierungen und/oder -eigenschaften aufweisen. Insbesondere zeichnet sich das Verfahren unter Verwendung von zwei Deckschichten, zwischen denen zumindest ein Pressling angeordnet wird, dadurch aus, dass zwischen den Deckschichten zueinander beabstandete Presslinge oder zwischen den Deckschichten Press­ linge unterschiedlicher Materialeigenschaften und/oder -dimensionierung und/oder Ausgangs­ zusammensetzungen angeordnet werden und sodann der durch Druckbeaufschlagung herge­ stellte Verbund thermisch behandelt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass zwischen zueinander beabstandeten Presslingen nicht aufschäumbare Einlagen angeordnet werden, die sodann unmittelbar mit den Deckschichten verbunden werden. Dabei können als Einlagen solche aus Metall, Keramik oder Glasfasermaterialien verwendet werden.

Auch besteht die Möglichkeit, die Deckschicht innig in zwischen den Presslingen verlaufen­ den Bereichen miteinander zu verbinden.

Durch die erfindungsgemäße Lehre ist es nicht erforderlich, zunächst aufgeschäumte Press­ linge in Sandwich-Struktur zurechtzuschneiden, um sodann mit insbesondere Blechen gewünschter Dicke und/oder Materialeigenschaft zu verschweißen, um eine maßgeschneiderte Platine im Leichtbauverbund zur Verfügung zu stellen, die Bereiche gewünschter Steifigkeit und/oder Energieabsorption aufweisen. Vielmehr erfolgt eine sogenannte Konfektionierung des Zwischenraums zwischen den aufschäumbare Presslinge abdeckenden Deckschichten derart, dass in bestimmten Bereichen Presslinge angeordnet und in anderen Bereichen Einlagen eingebracht werden, so dass bei dem anschließenden Prozessschritt "Verbinden der Deckschichten mit den Presslingen" in den freien Bereichen die Deckschichten selbst innig miteinander verbunden werden oder die Einlagen mit diesen. Wird sodann der so hergestellte Verbund einer gezielten Wärmebehandlung unterworfen, so werden die Bereiche, in denen sich Presslinge befinden, aufgeschäumt, wohingegen die verbleibenden Bereiche sich in ihrer Dimensionierung nicht verändern.

In den schaumwerkstofffreien Bereichen, also im Bereich der Einlagerungen oder der Ab­ schnitte, in denen die Deckschichten unmittelbar miteinander verbunden sind, können sodann Fügeelemente angeschweißt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Schaumwerk­ stoffbereich in seinen Materialeigenschaften verändert wird. Auch kann in gewünschtem Umfang eine spanende Bearbeitung erfolgen, die für sich anschließende Fügetechniken erforderlich sein kann.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Platine zur Erzielung der gewünsch­ ten bereichsweise voneinander abweichenden Materialeigenschaften bei der Herstellung des Verbundes bereichsweise unterschiedlichen Druckeinwirkungen ausgesetzt wird und/oder bei der thermischen Behandlung in eine Aufschäumform mit einer Struktur bzw. Geometrie­ verlauf der Platine vorgebender Innengeometrie eingebracht wird.

Auch kann die Struktur bzw. der Geometrieverlauf der Platine durch Wärmeeinleitung derart erfolgen, dass Bereiche des Verbundes mit voneinander abweichenden Aufschäumtemperatu­ ren beaufschlagt werden.

Um eine eindeutige Fixierung der Presslinge zu den Deckschichten sicherzustellen, kann des Weiteren zumindest eine Deckschicht in ihrer presslingseitigen Fläche mit Aufnahmen wie Taschen zum Einbringen der Presslinge versehen sein.

Eine Platine mit Metallschaumwerkstoff, der zumindest auf einer Seite mit einer Deckschicht versehen ist, wobei die Platine in vorgegebenen Bereichen voneinander abweichende Materi­ aleigenschaften aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Deckschicht zueinander be­ abstandete aufgeschäumte Metallschaumwerkstoffkörper oder aufgeschäumte Metallschaum­ werkstoffkörper unterschiedlicher Geometrie und/oder Materialeigenschaften abdecken. Ins­ besondere sind die Metallformwerkstoffkörper zwischen zwei Deckschichten angeordnet. Des Weiteren kann sich die erfindungsgemäße Platine dadurch auszeichnen, dass im Zwischen­ raum zwischen den Schaumwerkstoffkörpern Einlagen angeordnet sind, wobei die Einlagen insbesondere aus Metall, Keramik und/oder faserverstärkten Materialien bestehen können. Dabei besteht nach einem weiteren hervorzuhebenden Merkmal die Möglichkeit, gegebenen­ falls die Einlagen z. B. durch Ätzen oder andere geeignete Methoden herauszulösen, um Hohlräume für z. B. das Verlegen von Kablen oder Einbringen anderer Bauelemente zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird eine Platine mit durchgehenden einheitlichen Deckschichten zur Verfügung gestellt, wobei Bereiche voneinander abweichender Materialeigenschaften ins­ besondere in Bezug auf Steifigkeit bzw. Energieabsorption zur Verfügung stellen, ohne dass das nach dem Stand der Technik erforderliche Verschweißen von Abschnitten von Materialien erfolgen muss, die ihrerseits voneinander abweichende gewünschte Materialeigenschaften auf­ weisen. Dabei kann beim Herstellungsprozess durch Formgebung eine gewünschte Geometrie erzielt werden, so dass ein umfassender Einsatz z. B. im Automobil-Karosseriebau möglich ist. Dadurch, dass aufgeschäumte Sandwich-Körper nicht zunächst ausgeschnitten und sodann mit Blechplatten verschweißt werden müssen, ist sichergestellt, dass die Platine in dem Bereich, in dem sich der aufgeschäumte Werkstoff befindet, die gezielten gewünschten Werkstoffeigenschaften aufweist.

Man nutzt folglich die Eigenschaften der Schaumwerkstoffkörper gezielt aus, wobei man sich insbesondere auch die Vorteile der Leichtbauweise zunutze macht. Mit anderen Worten wird eine maßgeschneiderte Platine ohne zusätzliche Bearbeitungsschritte während der notwendi­ gen Prozessstufen zur Herstellung eines Metallschaumwerkstoffkörpers zur Verfügung gestellt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 auseinander gezogene Deckschichten, Presslinge sowie Einlagen zur Her­ stellung einer maßgeschneiderten Platine,

Fig. 2 die maßgeschneiderte Platine,

Fig. 3 Deckschichten sowie zwischen diesen angeordnete Presslinge zur Herstellung einer maßgeschneiderten Platine und

Fig. 4 ein Presswerkzeug zur Herstellung einer maßgeschneiderten Platine.

Um bei maßgeschneiderten Platinen (Tailored Blanks) gewünschte Bereiche mit metallischem Schaumwerkstoff herzustellen, sind zwischen Deckschichten 10, 12 einerseits Presslinge 14, 16 und andererseits Einlagen 18, 20, 22 angeordnet. Die Presslinge 14, 16 sind Halbzeuge, die durch Pressen einer Mischung aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver hergestellt sind. Als Treibmittelpulver in der Mischung können übliche Treibmittel, wie Metallhydride wie z. B. Titanhydrid oder Carbonate, wie z. B. Calciumcarbonat, Kaliumcarbonat, Natriumcarbonat, Natriumbicarbonat oder Hydrate wie z. B. Aluminiumsulfatcydrat, Alaun, Aluminiumhydroxid oder leichtverdampfende Stoffe wie z. B. Quecksilberverbindungen oder pulverisierte organische Substanzen in Frage kommen. Als Metallpulver kommen insbesondere Alumiumpulver, Aliuminiumpulver mit Si- und/oder Cu-, Si-Pulver oder jegliche verdüste Aluminium-Basislegierungen in Frage, ohne dass hier­ durch eine Beschränkung der erfindungsgemäßen Lehre erfolgt.

Die Einlagen 18, 20, 22 sind insbesondere Metallkörper; können jedoch auch aus Keramik und/oder faserverstärkten Werkstoffen bestehen, oder Halbzeugen (Presslingen) mit ab­ weichendem Ausgangsmischungsverhältnis der verwendeten Pulver, wie z. B. nur 1/5 bis 1/10 üblichen Treibmittelpulvers, wodurch partiell abweichende Dichten erzielbar sind.

Als Materialien für die Deckschichten 10, 12 kommen insbesondere solche Metalle in Frage, die z. B. auch Bestandteile der Mischung sind oder Deckschichten aus Aluminium oder Stahl.

Das so hergestellte Paket aus den Deckschichten 10, 12 und den zwischen diesen gezielt angeordneten Halbzeugen 14, 16 und Einlagen 18, 20, 22 wird sodann einem Druck z. B. durch Kalt- oder Warmwalzen ausgesetzt, bei dem eine innige Verbindung zwischen den Deckschichten 10, 12 und den Presslingen 14, 16 sowie den Einlagen 18, 20, 22 erfolgt. Gegebenenfalls kann der so hergestellte Verbund durch Pressen, Biegen oder Tiefziehen eine gewünschte dreidimensionale Formgestaltung erfahren. Sodann erfolgt eine Erwärmung des Verbundes durch thermisches Verfahren, wobei eine Temperaturführung so gewählt wird, dass ein Aufschäumen der Halbzeuge 14, 16 ausgelöst wird, ohne dass jedoch ein Schmelzen insbesondere der Deckschichten 10, 12 erfolgt. Vorzugsweise sollte die thermische Behand­ lung auch bei einer Temperatur erfolgen, bei der die Einlagen 18, 20, 22 nicht schmelzen.

Nach diesem Verfahrensschritt steht eine maßgeschneiderte Platine 24 oder Tailored Blank zur Verfügung, die in bestimmten Bereiche gezielte Materialeigenschaften insbesondere in Bezug auf Steifigkeit und Energieabsorptionsvermögen aufweist, und zwar in den Bereichen, in denen der aufgeschäumte Metallschaumwerkstoff vorliegt. Diese Bereiche sind in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 26, 28, gekennzeichnet.

Die maßgeschneiderte Platine 24 wird in ihren gewünschten Materialeigenschaften gleichzei­ tig bei dem zur Herstellung des Metallschaumwerkstoffes in Sandwich-Struktur notwendigen Verfahrensschritten gewonnen, ohne dass es das nach dem Stand der Technik erforderliche Schneiden von aufgeschäumten Metallkörpern und sodann ein Verschweißen dieser mit Blechen bedarf. Es wird hocheffizient eine maßgeschneiderte Platine zur Verfügung gestellt, wobei diese die Vorteile der aufgeschäumten Leichtbaustoffe aufweist.

Um eine eindeutige Fixierung von Presslingen 30, 32, 34 zwischen Deckschichten 36, 38 zu ermöglichen, wobei gleichzeitig Bereiche zur Verfügung gestellt werden sollen, die denen der Einlagen 18, 20, 22 gemäß Fig. 1 entsprechen, weist nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 das Deckblech 36 als Taschen ausgebildete Aufnahmen 40, 42, 44 auf, in die die Presslinge oder Halbzeuge 30, 32, 34 eingebracht werden. Die zwischen den Taschen 40, 42, 44 vorhandenen Bereiche der Deckschicht 36 weisen folglich eine größere Dicke auf, so dass diese Bereiche die Funktionen der Einlagen 18, 20, 22 gemäß Fig. 1 ausüben. Sodann werden in gewohnter Weise die weitere Deckschicht 38 mit den Presslingen 30, 32, 34 sowie die auf der Deckschicht 38 aufliegenden Bereichen der oberen Deckschicht 36 innig miteinander ver­ bunden, um bei der anschließenden thermischen Behandlung das Aufschäumen der Presslinge 30, 32, 34 durchzuführen.

In Fig. 4 ist rein prinzipiell eine Walzvorrichtung 46 mit zwei Walzen 48, 50 dargestellt, zwischen denen ein Verbund aus Deckschichten 52, 54 und zwischen diesen beabstandet zueinander angeordnete Presslingen 56, 58, 60 aus aufschäumbarem Material wie insbesonde­ re Aluminiumschaum sowie zwischen diesen verlaufenden Einlagen 62, 64 hindurchgeführt werden, um durch Druckeinwirkung innig verbunden zu werden. Sodann kann der so hergestellte Verbund z. B. durch Pressen, Biegen oder Tiefziehen einer Formgebung unter­ zogen werden. Anschließend erfolgt in gewohnter Weise eine thermische Behandlung, um die Presslinge 56, 58, 60 aufzuschäumen und die gewünschte maßgeschneiderte Platine zu­ erhalten.

Als Anwendungsfall in der Automobilindustrie ist eine Bodengruppe mit Getriebetunnel zu nennen. Die geschäumten Zonen sind sehr steif und gut im Schubfall. Die ungeschäumten Zonen sind für Fügeelemente wie Clinch oder Stanznieten oder Bohroperationen geeignet.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung maßgeschneiderter Platinen mit Abschnitten voneinander abweichenden Materialeigenschaften unter Verwendung von metallischem Schaum­ werkstoff, wobei ein aufschäumbarer Pressling in Form von einer verdichteten Mischung aus zumindest einem Metallpulver und zumindest einem gasabspaltenden Treibmittelpulver mit zumindest einer Deckschicht versehen wird und sodann so hergestellter Verbund durch ein thermisches Verfahren aufgeschäumt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest einen Deckschicht abschnittsweise mehrere Presslinge derart zugeordnet werden, dass Bereiche in der Platine entstehen, die schaumwerkstofffrei oder voneinander abweichende Schaumwerkstoffdimensionierungen und/oder -eigen­ schaften aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung zweier Deckschichten, zwischen denen zumindest ein Pressling angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Deckschichten zueinander beabstandete Presslinge oder zwischen den Deckschichten Presslinge unterschiedlicher Materialeigenschaften und/oder Materialgeometrien und/oder Ausgangsmischungszusammensetzungen angeordnet werden und sodann der durch Druckeinwirkung hergestellte Verbund thermisch behandelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Presslingen nicht aufschäumbare Einlagen, insbesondere aus Metall, Keramik und/oder faserverstärkten Werkstoffen angeordnet werden.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten in zwischen den Presslingen verlaufenden Bereichen innig miteinander verbunden werden.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen unmittelbar mit der Deckschicht und/oder den Deckschichten ver­ bunden werden.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendungen von Presslingen unterschiedlicher Materialeigenschaften und/oder -geometrien diese gegebenenfalls aneinandergrenzend zwischen den Deck­ schichten angeordnet werden.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einlagen und/oder der schaumwerkstofffreien Bereiche Füge­ elemente an zumindest einer Deckschicht befestigt werden.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine zur Erzielung der gewünschten bereichsweise voneinander abwei­ chenden Materialeigenschaften bei der Herstellung des Verbundes bereichsweise voneinander abweichenden Drücken und/oder bei der thermischen Behandlung unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt wird.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Struktur- und/oder Geometrieverlauf der Platine durch Formgebung einer bei der thermischen Behandlung verwendeten Aufschäumform vorgegeben wird.

10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einlage nach der Herstellung der Platine aus dieser herausgelöst wird.

11. Platine (24) mit Metallschaumwerkstoff (26, 28), der zumindest auf einer Seite mit einer Deckschicht (10, 12) versehen ist, wobei die Platine in vorgegebenen Bereichen voneinander abweichende Materialeigenschaften aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (10, 12) zueinander beabstandete Materialschaumwerkstoffkörper (26, 28) oder Metallschaumwerkstoffkörper unterschiedlicher Geometrie und/oder Materialeigenschaften abdeckt.

12. Platine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumwerkstoffkörper (26, 28) zwischen zwei Deckschichten (10, 12) angeordnet sind, wobei die Deckschichten und die Metallschaumwerkstoffkörper durch Druckeinwirkung innig miteinander verbunden sind.

13. Platine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenraum zwischen den Schaumwerkstoffkörpern (26, 28) Einlagen (18, 20, 22) angeordnet sind.

14. Platine nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen (18, 20, 22) aus Metall, Keramik und/oder faserverstärkten Materia­ lien bestehen.

15. Platine nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten (36, 38) im Zwischenbereich zwischen den Schaumwerk­ stoffkörpern innig miteinander verbunden sind.

16. Platine nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Deckschicht (36) in ihrer schaumwerkstoffseitigen Fläche Auf­ nahmen für Schaumwerkstoffkörper aufweist.

17. Platine nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Platine Hohlräume durch herausgelöste Einlagen ausgebildet sind.

18. Platine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume Kanäle sind.