EP1079948B1

EP1079948B1 - Metallschaum enthaltendes verbundbauteil

Info

Publication number: EP1079948B1
Application number: EP00915140A
Authority: EP
Inventors: Olaf Abels
Original assignee: ZF Lemfoerder GmbH
Current assignee: ZF Lemfoerder GmbH
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 2000-03-07
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2020-03-07
Also published as: EP1079948A1; ES2240077T3; US6444330B1; DE19911213C1; WO2000054911A1

Abstract

Es wird ein Verbundbauteil (1), welches aus mindestens zwei sich gegenüberliegenden massivmetallischen Blechteilen (4, 5) und einer zwischen den Blechteilen angeordneten aufzuschäumenden Metallpulverschicht besteht, vorgestellt, bei dem dieses in einzelnen Querschnittsbereichen zusätzliche Versteifungselemente (9) aufweist, die formschlüssig mit der sie umgebenden aufgeschäumten Metallpulverschicht (6, 7) verbunden sind, welche wiederum zerstörungsfrei untrennbar mit den außenliegenden massiv metallischen Blechteilen verbunden ist. Darüberhinaus wird ein Verfahren zur Herstellung des Verbundbauteils offenbart, bei dem je ein massivmetallisches Blechteil (4, 5) mit einer Metallpulverschicht (6, 7) versehen wird, anschließend die beiden Blechteile (4, 5) mit ihrer mit der Metallpulverschicht (6 und 7) versehenen Seiten einander zugewandt übereinander angeordnet werden und danach die übereinander liegenden Blechteile durch Wärmezufuhr dergestalt aufgeheizt werden, daß zwischen den einander zugewandten Metallpulverschichten (6, 7) durch einen wärmebedingten Aufschäumvorgang eine zerstörungsfrei untrennbare Verbindung hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil, welches aus mindestens zwei sich gegenüberliegenden massivmetallischen Blechteilen und einem zwischen den Blechteilen angeordneten aufgeschäumten Metallpulver besteht.

Verbundbauteile der eingangs geschilderten Art werden in unterschiedlichen industriellen Bereichen und insbesondere in der Fahrzeugtechnik eingesetzt, da sie bei hoher Steifigkeit eine relativ geringe Masse aufweisen.

Das Verfahren zur Herstellung derartiger Verbundbauteile erfolgt üblicherweise in mehreren Schritten. Zunächst wird aus massivmetallischen Blechplattenteilen und der Metallpulverschicht, beispielsweise durch einen Walzplattiervorgang, ein Verbundhalbzeug hergestellt. Der Walzvorgang bewirkt eine metallische Bindung zwischen der mittigen Metallpulverschicht und den Innenseiten der diese Metallpulverschicht bedeckenden, massivmetallischen Blechplattenteile. Nach Beendigung des Walzvorganges kann das sandwichartige Plattenmaterial durch Stanzen in Einzelteile zerlegt werden, danach wird den Einzelteilen beispielsweise durch Tiefziehen oder ähnliche Bearbeitungsschritte eine veränderte Form gegeben. Hierbei sind bestimmte Randbedingungen zu beachten, wie sie beispielsweise im Rahmen der DE 196 12 781 C1 unter Schutz gestellt sind. In dieser Schrift ist beschrieben, daß nach der Formbearbeitung des sandwichartigen Formhalbzeuges dieses zur Endfertigung in eine mit einer Wandung an dessen endkonturierte Seite angepaßte Aufschäumform gegeben wird und in geeigneter Weise einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Durch die Tatsache, daß der Metallpulverschicht ein Treibmittel beigemischt ist, wird ein Aufschäumen der Metallpulverschicht durch die Wärmeeinwirkung erzeugt. Dieser Aufschäumvorgang ist dann beendet, wenn die zweite massiv metallische Deckschicht an der weiteren Anlagefläche der Aufschäumform zur Anlage gekommen ist.

Durch die oben beschriebene Abfolge von Herstellungschritten ist es möglich, metallische Leichtbauteile für eine konstant maßhaltige Serienfertigung, insbesondere im Fahrzeugbau, aus flächigen sandwichartigen Formhalbzeugen herzustellen.

Darüber hinaus sind im Stand der Technik Herstellungsverfahren bekannt, bei denen Metallpulver in einer entsprechenden Form aufgeschäumt wird und das so hergestellte Halbzeug später in eine Gießform eingebracht und danach beispielsweise durch Druckgießen zu einem Verbundbauteil mit Schaumkern und außenliegender, massivmetallischer Schale fertiggestellt wird. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist beispielsweise aus der DE 195 01 508 C1 bekannt.

Mit den oben beschriebenen unterschiedlichen Herstellungsverfahren ist zwar die Möglichkeit gegeben, Verbundbauteile herzustellen, die gegenüber massiven Bauteilen eine erhöhte Energieabsorbierung erlauben und im Hinblick auf akustische Gegebenheiten eine wesentlich bessere Dämpfung aufweisen. Jedoch ist mit den beschriebenen Verfahren eine spezielle partielle Versteifung der Verbundbauteile zur Bereitstellung einer an äußere Gegebenheiten angepaßten erhöhten Steifigkeit nicht möglich, da hierbei nur in bestimmten Querschnitten des Verbundbauteiles zusätzliche Verstärkungselemente eingebracht werden müßten. Das Einbringen derartiger Verstärkungselemente ist im Stand der Technik nur durch Schweiß- oder Nietkonstruktionen realisierbar. Mit Hilfe solcher Verfahrensschritte ist es möglich, zwischen zwei massiv metallischen Deckschichten Verstärkungselemente einzubringen und formschlüssig zu verriegeln. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist allerdings produktionstechnisch aufwendig und dadurch mit erhöhten Herstellungskosten verbunden.

Weiterhin sind aus der WO 99/52661 ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern und ein Schaummetall-Formkörper bekannt. Der nach diesem Verfahren hergestellte Integral-Schaum-Formkörper kann als Platte oder Sandwichplatte oder auch als mit Metallschaum gefülltes Formteil ausgebildet sein und Aussparungen erzeugende Einlagen oder massive Metallteile enthalten.

Derartige Formkörper sind jedoch nicht für einen Einsatz als hochbelastbare Bauteile ausgelegt.

Die technische Problemstellung der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verbundbauteil der gattungsgemäßen Art so weiterzuentwickeln, daß die erhöhten Anforderungen insbesondere in der Automobilfahrzeugtechnik hinsichtlich erhöhter Steifigkeit bei reduziertem Bauteilgewicht gegeben sind.

Diese technische Problemstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verbundbauteil tragende Versteifungselemente aufweist, die formschlüssig mit der sie umgebenden aufgeschäumten Metallpulverschicht verbunden sind, welche wiederum zerstörungsfrei untrennbar mit den außenliegenden massiv metallischen Blechteilen verbunden ist, die derart umgeformt sind, daß sich ein Verbindungssteg zwischen den Versteifungselementen ergibt.

Diese spezielle Gestaltung ermöglicht es erstmals, entsprechend den innerhalb von Fahrwerksbauteilen auftretenden besonderen Beanspruchungen die diesen entgegenwirkenden Widerstandsmomente optimal anzupassen. Dies kann zum einen durch die unterschiedliche Gestaltung der innenliegenden Versteifungselemente geschehen, indem diese beispielsweise aus Vierkantprofilen, Flachmaterialien oder U-Profilen hergestellt sind. Darüber hinaus ist es möglich, die Versteifungselemente in ihrer Materialauswahl entsprechend anzupassen, so daß bei höchsten Beanspruchungen beispielsweise auch Materialien wie Titan oder dergleichen bei den Versteifungselementen Verwendung finden können.

Im einzelnen ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, welches entsprechend den Merkmalen des Patentanspruches 1 zur Durchführung mindestens zwei sich gegenüberliegende Blechteile und eine zwischen den Blechteilen angeordnete, aufschäumbare Metallpulverschicht erfordert, durch die Verfahrensschritte beschrieben, daß je ein massivmetallisches Blechteil mit einer Metallpulverschicht versehen wird, anschließend die beiden Blechteile mit ihrer mit der Metallpulverschicht versehenen Seite einander zugewandt übereinander angeordnet werden und schließlich die übereinanderliegenden Blechteile durch Wärmezufuhr dergestalt aufgeheizt werden, daß durch die Wärmezufuhr ein Aufschäumvorgang in den einander zugewandten Metallpulverschichten bewirkt wird, der eine untrennbare Verbindung der Metallpulverschichten bewirkt.

Durch dieses Verfahren wird somit eine "Verklebung" der einander zugewandten Metallpulverschichten erreicht. Darüber hinaus ist es durch dieses Verfahren möglich, vor dem Aufheizvorgang der übereinander liegenden Blechteile zwischen diesen in bestimmten Teilbereichen des Verbundbauteils zusätzliche Versteifungselemente in Form von Blechformteilen oder Profilen anzuordnen, die im darauffolgenden Aufschäumvorgang zerstörungsfrei untrennbar mit dem aufgeschäumten Metallschichtpulver verbunden werden. Es entsteht somit ein in Teilbereichen mit besonders hohem Widerstandsmoment ausgestattetes Verbundbauteil, welches besonders kostengünstig hergestellt werden kann.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verbundbauteils anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert sowie ein Verfahren zur Herstellung des Verbundbauteiles beschrieben.

Es zeigt:

Figur 1: eine Querschnittsdarstellung durch einen Kraftfahrzeugquerlenker als Beispiel eines erfindungsgemäßen Verbundbauteiles,
Figur 2: Schnittdarstellungen entsprechend der Linie A-A und B-B aus Figur 1 und
Figur 3: eine vergrößerte Detailansicht der Einzelheit X aus Figur 1.

Das in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnete Verbundbauteil weist zwei tragende Rohre 2 und 3 auf. Die tragenden Rohre 2 und 3 sind durch ein oberes Deckblech 4 und ein unteres Deckblech 5 miteinander verbunden. An den jeweils den tragenden Rohren 2 und 3 zugewandten Innenseiten der Deckbleche 4 und 5 ist jeweils eine Metallpulverschicht 6 und 7 aufgewalzt. Im Bereich zwischen den Rohren 2 und 3 sind die Deckbleche 4 und 5 so umgeformt, daß sich ein Verbindungssteg 8 ergibt. Die Deckbleche 4 und 5 sind im Bereich des Verbindungssteges so ausgebildet, daß sich zwischen ihnen ein Hohlraum ergibt. In diesem Ausführungsbeispiel ist in diesen Hohlraum ein Versteifungselement in Form eines Verbindungsgestänges 9 eingelegt. Dieses Verbindungsgestänge ist so gestaltet, daß es drei Bereiche I, II, III mit ringförmigem Querschnitt und zwei Bereiche IV und V mit im wesentlichen rechteckförmigem Querschnitt aufweist. Die Querschnittsgestaltung ist anschaulich der Figur 2 zu entnehmen. Aus dieser Figur ergibt sich, daß die Deckbleche 4 und 5 an den jeweiligen Außenkanten des Verbindungssteges 8 mit ihren Metallpulverschichten aufeinanderliegen und die Metallpulverschichten 6 und 7 im Innern des Verbindungssteges 8 das Verbindungsgestänge 9 vollständig umschließen.

Die unterschiedliche Gestaltung der Querschnitte in den Bereichen I bis III, bzw. IV und V ist durch unterschiedliche Anforderungen an die Widerstandsmomente im Bereich des Verbundbauteiles bedingt. Natürlich ist es in diesem Zusammenhang denkbar, dem Verbindungsgestänge 9 statt der hier dargestellten runden bzw. rechteckförmigen Querschnitte je nach Erfordernis auch quadratische oder beliebig anders geformte Querschnitte zu geben.

Aus der Darstellung der Figur 3 wird noch einmal deutlich, daß die auf den jeweiligen Deckblechen aufgebrachten Metallpulverschichten sowohl die tragenden Rohre 2 und 3 als auch das Verbindungsgestänge 9 im fertiggestellten Zustand vollkommen umschließen, so daß eine formschlüssige, zerstörungsfrei untrennbare Verbindung zwischen den einzelnen Bestandteilen des Verbundbauteils 1 hergestellt ist.

Das Herstellungsverfahren für das hier dargestellte Vebundbauteil 1 gliedert sich in folgende Verfahrensschritte:

Zunächst werden das untere Deckblech 5 sowie das obere Deckblech 4 mit jeweils einer Metallpulverschicht 6 bzw. 7 beschichtet. Diese Beschichtung geschieht üblicherweise durch einen Walzvorgang, im Rahmen dessen eine feste Verbindung zwischen der Metallpulverschicht und dem Deckblech hergestellt wird. Die Metallpulverschicht kann beispielsweise aus Aluminiumpulver mit einem entsprechenden Treibmittel, zum Beispiel Titanhydrid (TiH₂) bestehen. Nach dem Walzvorgang werden die Deckbleche 4 und 5 in einem Umformvorgang mit der in Figur 1 dargestellten Kontur versehen. Diese Kontur zeichnet sich dadurch aus, daß sie zwei Bereiche 10 und 11 zur Aufnahme der tragenden Rohre 2 und 3 sowie einen dazwischen liegenden Bereich zur Aufnahme des Verbindungsgestänges 9 aufweist. Werden das obere Deckblech 4 und das untere Deckblech 5 übereinander gelegt, so ergeben sich Hohlräume zur Aufnahme der entsprechenden Rohre 2 und 3 sowie des Verbindungsgestänges 9. Das Zusammenlegen der einzelnen Komponenten des Verbundbauteils bildet einen weiteren Verfahrensschritt im Rahmen des Herstellungsprozesses.

Sind die Einzelbestandteile des Verbundbauteils in der beschriebenen Weise zusammengelegt, so wird das Verbundbauteil 1 anschließend, beispielsweise in einem Ofen, auf eine für das Aufschäumen der Metallpulverschicht erforderliche Temperatur erhitzt, die Werte erreichen kann, die knapp unterhalb der Schmelztemperatur der Deckbleche liegen. So sind Temperaturen zwischen etwa 600° C und 800°C möglich. Dabei setzt das in den Metallpulverschichten enthaltende Treibmittel Gase frei, welche ähnlich wie beim Aufschäumen von Polyurethanschaum wirksam sind und das Aluminiumpulvergemisch aufschäumen lassen. Im Rahmen des Aufschäumvorganges wird eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Metallpulver und den Rohren 2 und 3 bzw. dem Verbindungsgestänge 9 herbeigeführt. Als Material für die Deckbleche kann beispielsweise AlMgSi1 verwendet werden.

In der Figur 3 ist vergrößert noch einmal dargestellt, daß die Metallpulverschicht vorhandene Hohlräume zwischen den Deckblechen 4 und 5 und den inneren Versteifungsbauteilen 2, 3 und 9 vollständig ausfüllt. Gleichzeitig wird eine feste Verbindung in Form einer Klebung in den äußeren Bereichen der Deckbleche 4 und 5 an den Stellen, an denen die Metallpulverschichten 6 und 7 direkt aufeinanderliegen, herbeigeführt. Nach dem Abkühlen des Verbundbauteils ergibt sich somit ein kompaktes, den Rahmenbedingungen hinsichtlich Festigkeit und Leichtigkeit optimal angepaßtes Fahrwerksbauteil, welches sich durch eine einfache und kostengünstige Herstellung auszeichnet.

Es ist darüber hinaus im Rahmen der Durchführung des Verfahrens selbstverständlich denkbar, zusätzliche Aufnahmen beispielsweise für Gummilager, wie sie in Querlenkern eingesetzt werden, zusätzlich in das Verbundbauteil einzuschäumen, ohne daß ein zusätzlicher Arbeitsgang einer Verschweißung der Aufnahmen mit dem Verbundbauteil erfolgen muß. Darüber hinaus kann die Wärmebehandlung des Verbundbauteils so gesteuert werden, daß sie mit ohnehin notwendigen Wärmebehandlungen verwendeter Aluminiummaterialien kombiniert wird. Dies erhöht zusätzlich die Wirtschaftlichkeit der Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteile. Durch die Verwendung der innenliegenden Versteifungsteile wird einerseits eine ausreichende Festigkeit erzielt, gleichzeitig bewirkt der verwendete Metallschaum eine Verbesserung der akustischen Eigenschaften, da er gegenüber üblichen Vollmaterialien eine wesentlich bessere Dämpfung aufweist.

Neben den verbesserten akustischen Eigenschaften besitzt der Metallschaum zusätzlich die Fähigkeit, aufgrund seiner Porosität in erhöhtem Maße Energie zu absorbieren. Dies kann für das Verformungsverhalten erfindungsgemäßer Verbundbauteile, beispielsweise im Crashfall, von Vorteil sein.

Bezugszeichenliste:

1.: Verbundbauteil
2.: tragendes Rohr
3.: tragendes Rohr
4.: oberes Deckblech
5.: unteres Deckblech
6.: Metallpulverschicht
7.: Metallpulverschicht
8.: Verbindungssteg
9.: Verbindungsgestänge
10.: Bereich
11.: Bereich

Claims

Verbundbauteil, welches aus mindestens zwei sich gegenüberliegenden massivmetallischen Blechteilen und einem dazwischen angeordneten aufgeschäumten Metallpulver besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundbauteil in einzelnen Querschnittsbereichen zusätzliche Versteifungselemente aufweist, die formschlüssig mit dem sie umgebenden aufgeschäumten Metallpulver verbunden sind, das zerstörungsfrei untrennbar mit den außenliegenden massivmetallischen Blechteilen verbunden ist, und daß
das Verbundbauteil tragende Versteifungselemente (2, 3) aufweist, die durch die zwei sich gegenüberliegenden massivmetallischen Blechteile (4, 5) unter Bildung eines Verbindungssteges (8) miteinander verbunden sind.
Verbundbauteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den beiden Blechteile (4, 5) mindestens ein weiteres Blechformteil (9) eingefügt ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Metallpulverschichten (6, 7) aus aufgeschäumtem Aluminium bestehen.