EP3221067A1 - Verfahren zum herstellen eines bauteils aus unterschiedlichen werkstoffen sowie bauteil und dessen verwendung - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines bauteils aus unterschiedlichen werkstoffen sowie bauteil und dessen verwendung

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EP3221067A1
EP3221067A1 EP15790062.2A EP15790062A EP3221067A1 EP 3221067 A1 EP3221067 A1 EP 3221067A1 EP 15790062 A EP15790062 A EP 15790062A EP 3221067 A1 EP3221067 A1 EP 3221067A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
steel
notch
component
steel sheet
plastic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15790062.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Axel Köhler
Janko Banik
Sascha Sikora
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG, ThyssenKrupp AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Publication of EP3221067A1 publication Critical patent/EP3221067A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B29L2031/30—Vehicles, e.g. ships or aircraft, or body parts thereof
    • B29L2031/3002—Superstructures characterized by combining metal and plastics, i.e. hybrid parts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/001—Austenite

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component comprising
  • Steel plate or steel profile is formed, which serves to connect at least one second material. Furthermore, the invention relates to a correspondingly manufactured component and a corresponding use of the component.
  • German Patent Application 10 2011 109 010 discloses a component made of a hardened semi-finished steel product combined with a further flat part made of any desired material and a corresponding production method.
  • a material projection is produced, which protrudes from the plane of the Stahlhabzeugs and has a length which corresponds to more than the material thickness of the further flat part to be connected.
  • the further flat part is provided with a corresponding opening and placed on the steel semi-finished product with the material projection across, wherein the material projection of the steel semi-finished product passes through the opening of the flat part.
  • the material projection is heated to a forming temperature and the material projection in a final step by suitable means on the edge of the opening the flat part is plastically and / or massively deformed to produce a positive fit.
  • Temperatures in particular above 300 ° C may be required, depending on the second material to be bonded, in particular when using
  • Material is provided a plastic, which at least partially
  • Stiffening is connected to the steel workpiece.
  • a hardenable steel sheet is provided. This may just or alternatively already cold preformed, in particular, have almost the final geometry, be formed, which is known in the art under the concept of indirect or direct hot forming.
  • the steel sheet or steel profile which may be formed as closed, initially becomes partial or fully heated to Austenitmaschinetemperatur, depending on the requirements of the component to be manufactured as well as its intended use in the vehicle
  • Microstructures can be adjusted. This can be done via appropriate ovens and / or appropriate forming / hardening tools. are
  • tailored tempering that is, it is a hard structure and a softer, especially compared to the hard a ductile structure set at least the steel workpiece is fully or partially cured, resulting in a fast
  • Hot forming and press hardening (direct hot forming) or in the course of press hardening (indirect hot working) takes place, wherein the microstructure of the at least austenitized region of the steel sheet is converted by rapid cooling in a martensitic and / or bainitic structure, wherein the achievement of a martensitic microstructure is particularly preferred ,
  • Notch which can be formed zacken-, laschen-, collar and / or crown-shaped, serves to connect at least one second material.
  • the inventive method further comprises, which is provided as a second material plastic, which is connected at least for partial stiffening of the fully or partially hardened steel workpiece.
  • fiber-reinforced plastics are used, in particular with glass, carbon and / or natural fibers, especially with biodegradable fibers offset plastic systems, depending on the type of fiber influence on the level of strength and rigidity of the plastic can be taken, in particular by the proportion of fill content.
  • biodegradable plastic systems plastic matrix impregnated natural fibers are in Complete connection with steel materials and therefore environmentally friendly recyclable.
  • the plastics used or preferably fiber-reinforced plastics are temperature-stable up to at least 200 ° C., in particular KTL-resistant. If fibers are considered, these are also up to at least 200 ° C
  • Notching hardened The notch is formed in the course of the hot forming by means integrated in the tool, which are coordinated so that they quickly withdraw heat after the indentation of the notch and cause hardening, whereby a further deformation of the notch is no longer possible.
  • the notch can not be hardened. This can be accomplished with the same means as in the tool hardening, but with the difference that the notch means substantially remove no heat, particularly when the notch means are formed or tempered or actively heated from a poorly conductive material are.
  • the non-hardened notch is formed according to a further embodiment of the method according to the invention in the course of hot forming at an angle of preferably 90 ° from the plane of the steel workpiece.
  • the connection is made with a plastic which is at least partially disposed in the region of the notch, wherein the notch through the plastic, which preferably has an opening or a slot at the appropriate location , is carried out.
  • the length of the notch is chosen such that at least a portion of the notch, after the two materials were merged, survives, which in a further step in parallel with contact to the plastic for positive connection (cold), in turn, is changed by 90 °.
  • the plastic is already preformed and in particular fiber-reinforced, which corresponds to the geometry and dimension, in particular as an exact fit
  • Plastic molding is provided to be connected to the steel workpiece and to give him at least partially a higher strength.
  • the hardened notch is formed according to an alternative embodiment of the method according to the invention in the course of hot forming at an angle of in particular less than 90 °, preferably less than 60 ° and more preferably less than 45 ° from the plane of the steel workpiece.
  • connection is made with a plastic, wherein the fully or partially hardened steel workpiece is inserted into a second tool, in particular in an injection mold and the steel workpiece at least in the notch with liquid plastic molded and / or injected behind. Due to the preferably angular orientation (acute angle) of the Ausklingung a kind of undercut is provided, which ensures a permanent connection to the steel workpiece especially after curing of the plastic, preferably the fiber reinforced plastic and gives it at least partially a higher strength.
  • the invention relates to a component comprising at least two different materials, which has a fully or partially hardened steel workpiece, which has at least one notch, via which at least one second material is connected, wherein the second material for at least partial stiffening of the steel workpiece from Plastic is formed.
  • the invention relates to the use of a previously described component as crashrelevantes component in the vehicle, in particular as A, B-C, D-pillar, side members and / or cross member. To avoid repetition, reference is made to what has been said.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a method according to the invention
  • Fig. 2a a perspective view of an embodiment
  • FIG. 2b shows a second embodiment of a partial region of the one shown in FIG. 2a
  • FIG. 1 an embodiment, in particular a step sequence of a method according to the invention is shown.
  • Level hardenable steel sheets 1 are provided.
  • End geometry of the steel workpiece to be produced or may be formed as closed steel profiles are provided.
  • the steel sheets 1 can also be cut from a coil to appropriate length prior to their provision and if a trim is not considered in the hot forming process, trimmed to appropriate dimension or alternatively trimmed by laser hard cutting on the fully or partially hardened steel workpiece (not shown here).
  • the steel sheet 1 is heated to austenitizing temperature, for example in a roller hearth furnace 2. Also conceivable, but not shown here, other heating means are also suitable. In the example shown, the steel sheet 1 is completely austenitized. Alternatively and not shown here, only a part of the steel sheet can be austenitized.
  • the tool 3 comprises an upper tool 4, which is designed as a punch and a lower tool 5, which is designed as a die. If required and not shown here, hold-down can be provided.
  • the die 5 is 7 with at least one projection or provided an elevation, wherein on the opposite side in the
  • Stamp 4 with 6 at least one notch or recess is provided. After inserting the austenitized steel sheet 1 in the tool 3, the
  • a complete or partial curing can take place, wherein the areas in the steel workpiece, which should not be converted into a fully martensitic microstructure in a partial hardening, preferably during hot forming and / or press hardening integrated in the tool and Heat elements not shown here are subjected to heat.
  • a plastic wherein the fully or partially hardened steel workpiece 8 in a second tool, which is an injection mold 10, which in turn comprises a lower tool and an upper tool 11, is inserted and the steel workpiece 8, at least in the region of the notch 9 with liquid plastic, which is conveyed or injected through lines 12 within the
  • the fiber-reinforced plastic ensures a permanent connection to the steel material and provides a component 15 with at least a partially higher strength, wherein the cured plastic 18 completely covers the notch.
  • fiber-reinforced fit plastic molded part 13 is formed, provided to be connected to the steel material 8 and to give him at least partially a higher strength.
  • the connection with the plastic molded part 13, which is arranged at least partially in the region of the notch 9, is effected by means not shown here, wherein the notch 9 through the plastic molded part 13, preferably at the corresponding point (attachment point) has an opening or a slot 13 , is carried out.
  • the length of the notch 9 is selected such that at least a portion of the notch 9 ', after the two materials 16 have been merged, survives, which in a further step parallel, in particular with contact to the plastic molded part 13 for positive connection (cold), again by 90 ° is changed.
  • FIGS. 2 a to 2 c show examples of a component in the form of a B pillar, in particular produced according to a first and second method according to the invention. Hot forming and / or press hardening of flat or preformed
  • Fig. 2a are shown in a perspective view of a steel workpiece 8 in the form of a B-pillar 17 notches 9, which are formed in pairs as serrations in the form of isosceles triangles, the tips of the triangles in the plane of the drawing (not shown) are aligned , Alternatively, and not shown here, the notches can also be formed laschen-, collar and / or crown-shaped.
  • the location of the stiffening of a crash-relevant component can preferably be determined by means of simulation.
  • the upper third of the component 17 is to be provided with a higher strength, whereby an intrusion in the direction of the passenger compartment and, associated therewith, the risk of injury of the passenger compartment
  • the geometry of the notch can also be determined as part of a simulation.
  • Fig. 2b a portion of Fig. 2a is shown as a rear view.
  • the reinforcement by means of plastic, preferably by means of fiber-reinforced plastic is in the course of a
  • Fig. 2c shown as part of Fig. 2a as a rear view, the connection shown with a plastic molded part 13, wherein the length of the notch 9, which was not cured in the course of hot working and / or press hardening, is dimensioned such that at least one protruding part of the notch 9 'after
  • the invention can be applied to any crash relevant components and is not limited to the embodiment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils umfassend mindestens zwei unterschiedliche Werkstoffe, welches sich durch folgende Verfahrensschritte auszeichnet: Bereitstellen eines härtbaren ebenen oder vorgeformten Stahlblechs oder Stahlprofils, Vollständiges oder partielles Erwärmen des Stahlblechs oder Stahlprofils auf Austenitisierungstemperatur, Einlegen des erwärmten Stahlblechs oder Stahlprofils in ein erstes Werkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten des Stahlblechs oder Stahlprofils zu einem vollständig oder partiell gehärteten Stahlwerkstück, wobei im Zuge des Warmumformens und/oder Presshärtens mindestens eine Ausklinkung in das Stahlblech oder Stahlprofil eingeformt wird, die zur Anbindung mit mindestens einem zweiten Werkstoff dient. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, welches die Nachteile im Stand der Technik überwindet, wird für ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus unterschiedlichen Werkstoffen sowie
Bauteil und dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils umfassend
mindestens zwei unterschiedliche Werkstoffe, welches sich durch folgende
Verfahrensschritte auszeichnet:
Bereitstellen eines härtbaren ebenen oder vorgeformten Stahlblechs oder Stahlprofils, Vollständiges oder partielles Erwärmen des Stahlblechs oder Stahlprofils auf
Austenitisierungstemperatur,
Einlegen des erwärmten Stahlblechs oder Stahlprofils in ein erstes Werkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten des Stahlblechs oder Stahlprofils zu einem vollständig oder partiell gehärteten Stahlwerkstück, wobei im Zuge des
Warmumformens und/oder Presshärtens mindestens eine Ausklinkung in das
Stahlblech oder Stahlprofil eingeformt wird, die zur Anbindung mindestens eines zweiten Werkstoffs dient. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechend hergestelltes Bauteil und eine entsprechende Verwendung des Bauteils.
Gattungsgemäße Bauteile sowie Verfahren zu ihrer Herstellung sind im Stand der Technik bekannt. Beispielhaft sind in der deutschen Offenlegungsschrift 10 2011 109 010 ein Bauteil aus einem gehärteten Stahlhalbzeug kombiniert mit einem weiteren Flachteil aus beliebigem Werkstoff sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren offenbart. In dem Stahlhalbzeug wird, nach Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur, im Warmformschritt ein Materialvorsprung erzeugt, der aus der Ebene des Stahlhabzeugs vorragt und eine Länge aufweist, die mehr als der Materialstärke des weiteren anzubindenden Flachteils entspricht. Nach dem Härten wird das weitere Flachteil mit einer entsprechenden Öffnung versehen und auf das Stahlhalbzeug mit dem Materialvorsprung übergreifend aufgelegt, wobei der Materialvorsprung des Stahlhalbzeugs die Öffnung des Flachteils durchgreift. In einem weiteren Schritt wird der Materialvorsprung auf eine Umformtemperatur erwärmt und der Materialvorsprung in einem abschließenden Schritt durch geeignete Mittel auf die Umrandung der Öffnung des Flachteils zur Erzeugung eines Formschlusses plastisch und/oder massiv verformt wird.
Nachteilig im Stand der Technik ist, dass das gehärtete Stahlblech an seinem
Materialvorsprung erneut erwärmt werden muss, um eine weitere Formung zur formschlüssigen Anbindung eines weiteren Werkstoffs zu ermöglichen, wobei
Temperaturen, insbesondere oberhalb von 300°C erforderlich sein können, die abhängig von dem zweiten anzubindenden Werkstoff, insbesondere beim Einsatz von
temperaturanfälligen Werkstoffen, den Werkstoff schädigen können. Auch das Gefüge des gehärteten Stahlblechs kann im Verbindungsbereich negativ beeinflusst werden, was bei der Verwendung als crashrelevante Bauteile im Fahrzeug durchaus ein wesentlicher Nachteil sein kann. Zudem ist diese Art der Erzeugung eines
Formschlusses sehr aufwendig.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, ein Bauteil sowie eine Verwendung vorzuschlagen, welches bzw. welcher die vorgenannten
Nachteile überwindet.
Die aufgezeigte Aufgabe für ein Verfahren wird dadurch gelöst, dass als zweiter
Werkstoff ein Kunststoff bereitgestellt wird, welcher zur zumindest partiellen
Versteifung an dem Stahlwerkstück angebunden wird.
Es wurde festgestellt, dass eine Verbindung von artungleichen Werkstoffen,
insbesondere bei gehärteten Stahlwerkstücken in Kombination mit Kunststoffen, beispielsweise bei Klebeverbindung nur eine geringe Kraftübertragung möglich ist und Schweißverbindungen, wenn schweißbare Kunststoffe verwendet werden, durch lokalen hohen Wärmeeintrag sich negativ auf die Gefügestruktur des gehärteten
Stahlwerkstücks auswirken kann. Erfindungsgemäß wird ein härtbares Stahlblech bereitgestellt. Dieses kann eben oder alternativ bereits kalt vorgeformt, insbesondere nahezu die Endgeometrie aufweisen, ausgebildet sein, was in Fachkreisen auch unter dem Begriff der indirekten oder direkten Warmumformung bekannt ist. Das Stahlblech oder Stahlprofil, welches als geschlossenes ausgebildet sein kann, wird zunächst partiell oder vollständig auf Austenitisierungtemperatur erwärmt, wobei je nach Anforderung des zu fertigenden Bauteils sowie dessen Verwendungszweck im Fahrzeug im
Stahlwerkstoff (partiell) unterschiedliche oder durchgehende einheitliche
Gefügestrukuren eingestellt werden können. Dies kann über entsprechende Öfen und/oder über entsprechende Umform-/Härtewerkzeuge erfolgen. Sind
unterschiedliche Gefügestrukturen im Stahlwerkstück zu berücksichtigen, wird von „tailored tempering" gesprochen, d. h. es wird ein hartes Gefüge und ein weicheres, insbesondere gegenüber dem harten ein duktileres Gefüge eingestellt. Zumindest wird der Stahlwerkstück vollständig oder partiell gehärtet, was durch eine schnelle
Abkühlung in einem insbesondere aktiv gekühlten Werkzeug im Zuge des
Warmumformens und Presshärtens (direkte Warmumformung) oder im Zuge des Presshärtens (indirekte Warmumformung) erfolgt, wobei sich die Gefügestruktur des zumindest austenitisiertes Bereichs des Stahlblechs durch schroffes Abkühlen in ein martensitisches und/oder bainitisches Gefüge umwandelt, wobei das Erzielen eines martensitischen Gefüges besonders bevorzugt ist. Das Einformen von mindestens einer Ausklinkung erfolgt erfindungsgemäß im Zuge des Warmumformens und/oder
Presshärtens, da der Werkstoff im warmen Zustand leicht bearbeitbar ist. Die
Ausklinkung, die zacken-, laschen-, kragen- und/oder kronenförmig ausgebildet sein kann, dient der Anbindung mindestens eines zweiten Werkstoffs. Das erfindungsgemäße Verfahren weist weiterhin auf, das als zweiter Werkstoff Kunststoff bereitgestellt wird, welcher zumindest zur partiellen Versteifung an dem vollständig oder partiell gehärteten Stahlwerkstück angebunden wird. Das Vorsehen von Kunststoff vereint neben seinem geringen Gewicht gegenüber metallischen Werkstoffen bei
belastungsgerechter Auslegung auch eine partielle Erhöhung der Festigkeit, wodurch die Materialstärke des Stahlwerkstücks gegenüber konventioneller Anwendung weiter reduziert werden kann, was sich durchaus positiv auf die Gesamtmasse des Fahrzeugs auswirken kann. Bevorzugt kommen faserverstärkte Kunststoffe zur Anwendung, insbesondere mit Glas-, Kohle- und/oder Naturfasern, insbesondere mit biologisch abbaubaren Fasern versetzte Kunststoffsysteme, wobei je nach Art der Faser Einfluss auf die Höhe der Festigkeit und Steifigkeit des Kunststoffs genommen werden kann, insbesondere auch durch den Anteil des Füllgehaltes. Insbesondere mit biologisch abbaubaren Kunststoffsystemen (Kunstoffmatrix) imprägnierte Naturfasern sind in Verbindung mit Stahlwerkstoffen vollständig und damit umweltfreundlich recyclingfähig. Die eingesetzten Kunststoffe bzw. vorzugsweise faserverstärkten Kunststoffe sind bis mindestens 200°C temperaturstabil, insbesondere KTL-beständig. Werden Fasern berücksichtigt, sind diese ebenfalls bis mindestens 200°C
temperaturstabil, insbesondere KTL-beständig.
Gemäß einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die
Ausklinkung gehärtet. Die Ausklinkung wird im Zuge der Warmumformung durch im Werkzeug integrierte Mittel eingeformt, die derart aufeinander abgestimmt sind, dass sie nach der Einformung der Ausklinkung schnell Wärme entziehen und eine Härtung bewirken, wodurch eine weitere Verformung der Ausklinkung nicht mehr möglich ist. Alternativ kann die Ausklinkung nicht gehärtet werden. Dies kann mit den gleichen wie bei der Härtung in dem Werkzeug integrierten Mitteln bewirkt werden, jedoch mit dem Unterschied, dass die Mittel der Ausklinkung im Wesentlichen keine Wärme entziehen, insbesondere wenn die Mittel zur Ausklinkung aus einem schlecht leitenden Material ausgebildet oder temperiert respektive aktiv gewärmt sind.
Die nicht gehärtete Ausklinkung wird gemäß einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zuge der Warmumformung in einem Winkel von vorzugsweise 90° aus der Ebene des Stahlwerkstücks eingeformt. Nachdem das Stahlwerkstück vollständig, mit Ausnahme der Ausklinkung oder partiell gehärtet wurde, erfolgt die Verbindung mit einem Kunststoff, der zumindest partiell im Bereich der Ausklinkung angeordnet wird, wobei die Ausklinkung durch den Kunststoff, der vorzugsweise an der entsprechenden Stelle eine Öffnung oder einen Schlitz aufweist, durchgeführt wird. Die Länge der Ausklinkung wird derart gewählt, dass zumindest ein Teil der Ausklinkung, nachdem die beiden Werkstoffe zusammengeführt wurden, übersteht, welcher in einem weiteren Schritt parallel insbesondere mit Kontakt zum Kunststoff zur formschlüssigen Anbindung (kalt), wiederum um 90° umgestellt wird. Vorzugsweise ist der Kunststoff bereits vorgeformt und insbesondere faserverstärkt, der der Geometrie und Abmessung entspricht, insbesondere als passgenaues
Kunststoffformteil bereitgestellt wird, um an das Stahlwerkstück angebunden zu werden und um ihm zumindest partiell eine höhere Festigkeit zu verleihen. Die gehärtete Ausklinkung wird gemäß einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zuge der Warmumformung in einem Winkel von insbesondere weniger als 90° vorzugsweise weniger als 60° und besonders bevorzugt weniger als 45° aus der Ebene des Stahlwerkstücks eingeformt. Nachdem das
Stahlwerkstück vollständig oder partiell (mit der Ausklinkung) gehärtet wurde, erfolgt die Verbindung mit einem Kunststoff, wobei das vollständig oder partiell gehärtete Stahlwerkstück in ein zweites Werkzeug, insbesondere in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt wird und das Stahlwerkstück zumindest im Bereich der Ausklinkung mit flüssigem Kunststoff umspritzt und/oder hinterspritzt wird. Durch die vorzugsweise winklige Ausrichtung (spitzer Winkel) der Ausklingung wird eine Art Hinterschnitt bereitgestellt, der insbesondere nach Aushärtung des Kunststoffs, vorzugsweise des faserverstärkten Kunststoffs eine dauerhafte Anbindung an das Stahlwerkstück sicherstellt und ihm zumindest partiell eine höhere Festigkeit verleiht.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Bauteil umfassend mindestens zwei unterschiedliche Werkstoffe, welches ein vollständig oder partiell gehärtetes Stahlwerkstück aufweist, welches mindestens eine Ausklinkung aufweist, über welche mindestens ein zweiter Werkstoff angebunden ist, wobei der zweite Werkstoff zur zumindest partiellen Versteifung des Stahlwerkstücks aus Kunststoff gebildet ist. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf das Vorhergesagte verwiesen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines vorher beschriebenen Bauteils als crashrelevantes Bauteil im Fahrzeug, insbesondere als A-, B- C-, D-Säule, Längsträger und/oder Querträger. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf das Vorhergesagte verwiesen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt
Fig. 1: eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2a: eine perspektivische Darstellung einer Ausführung
erfindungsgemäßen Bauteils als Vorderansicht,
Fig. 2b: eine erste Ausführungsform eines Teilbereichs des in Fig. 2a gezeigten
Bauteils als Rückansicht und
Fig. 2b: eine zweite Ausführungsform eines Teilbereichs des in Fig. 2a gezeigten
Bauteils als Rückansicht.
In Fig. 1 ist eine Ausführung, insbesondere eine Schrittabfolge eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Ebene härtbare Stahlbleche 1 werden bereitgestellt. Alternativ und hier nicht dargestellt, können auch bereits vorgeformte, die nahezu die
Endgeometrie des herzustellenden Stahlwerkstücks aufweisen oder als geschlossene Stahlprofile ausgebildet sein können, bereitgestellt werden. Die Stahlbleche 1 können auch vor ihrer Bereitstellung von einem Coil auf entsprechende Länge abgeschnitten werden und falls ein Beschnitt nicht im Warmumformprozess berücksichtigt ist, auf entsprechende Abmessung besäumt oder alternativ durch Laserhartbeschnitt an dem vollständig oder partiell gehärteten Stahlwerkstück beschnitten werden (hier jeweils nicht dargestellt). Im nächsten Schritt erfolgt die Erwärmung des Stahlblechs 1 auf Austenitisierungstemperatur beispielsweise in einem Rollenherdofen 2. Ebenfalls denkbar, jedoch hier nicht dargestellt, eignen sich auch andere Erwärmungsmittel. In dem gezeigten Beispiel wird das Stahlblech 1 vollständig austenitisiert. Alternativ und hier nicht dargestellt, kann auch nur partiell ein Bereich des Stahlblechs austenitisiert werden.
Nach der Erwärmung wird das Stahlblech 1 über geeignete Mittel (hier durch einen Pfeil symbolisiert) von dem Rollengang 2' nach Austritt aus dem Rollenherdofen 2
entnommen und zu einem ersten Werkzeug 3 transferiert und eingelegt. Das Werkzeug 3 umfasst ein Oberwerkzeug 4, das als Stempel ausgebildet ist und ein Unterwerkzeug 5, das als Matrize ausgebildet ist. Bei Bedarf und hier nicht dargestellt, können auch Niederhalter vorgesehen werden. In der Matrize 5 ist mit 7 mindestens ein Vorsprung bzw. eine Erhebung vorgesehen, wobei auf der gegenüberliegenden Seite in dem
Stempel 4 mit 6 mindestens eine Einkerbung bzw. Vertiefung vorgesehen ist. Nach Einlegen des austenitisierten Stahlblechs 1 in das Werkzeug 3 erfolgt das
Zusammenfahren der beiden Werkzeughälften 4, 5, wobei in der Regel das
Unterwerkzeug 5 ortsfest und das Oberwerkzeug 4 relativ zum Unterwerkzeug 5 verfahrbar, symbolisiert durch den senkrecht dargestellten Doppelpfeil, ausgebildet sind. Das Zusammenfahren bewirkt zunächst die Formgebung durch Warmumformen des warmen Stahlblechs und infolge der in der Regel aktiven Kühlung, durch integrierte und hier nicht dargestellte Kühlkreisläufe innerhalb der Werkzeughälften 4, 5, erfolgt eine Abkühlung des noch warmen Stahlblechs, wobei die Wärmeabfuhrrate derart eingestellt wird, dass nach Erreichen der Endposition (UT) ein Presshärten die
Umwandlung des austenitische Gefüges in ein vorzugsweise martensitisches Gefüge sicherstellt. Vor Erreichen von UT, wobei der Härteprozess noch nicht abgeschlossen ist und das noch im warmen Zustand befindliche Stahlblech relativ leicht bearbeitbar ist, bewirkt der Vorsprung 7 in der Matrize 5 in Verbindung mit der Einkerbung 6 in dem Stempel 4 durch weitere Relativbewegung der Werkzeughälften 4, 5 zueinander ein Einformen zumindest einer Ausklingung 9 in das Stahlwerkstück 8. Je nach Anwendung bzw. Anbindung des Kunststoffs kann die Ausklinkung 9 gehärtet werden, wobei der Vorsprung 7 und die Einkerbung 6 gekühlt sind bzw. der Ausklinkung 9 Wärme entziehen (hier nicht dargestellt) oder die Auslinkung 9 wird nicht gehärtet, wobei beispielsweise der Vorsprung 7 und die Einkerbung 6 isoliert oder temperiert sind (hier nicht dargestellt).
Je nach Bauteil bzw. dessen Verwendung, kann eine vollständige oder partielle Härtung erfolgen, wobei die Bereiche im Stahlwerkstück, die bei einer partiellen Härtung nicht in ein vollständig martensitisches Gefüge umgewandelt werden sollen, vorzugsweise während des Warmumformens und/oder Presshärtens durch im Werkzeug integrierte und hier nicht dargestellte Heizelemente mit Wärme beaufschlagt werden.
Wird die Ausklinkung 9 im Zuge des Warmumformens und/oder Presshärtens in einem Winkel von insbesondere weniger als 90°, vorzugsweise weniger als 60° und besonders bevorzugt weniger als 45° aus der Ebene des Stahlwerkstücks 8 eingeformt und gehärtet, wobei eine ungehärtete Ausklinkung 9 ebenfalls denkbar ist, erfolgt in einem weiteren Schritt die Anbindung eines Kunststoffs, wobei das vollständig oder partiell gehärtete Stahlwerkstück 8 in ein zweites Werkzeug, das ein Spritzgießwerkzeug 10 ist, welches wiederum ein Unterwerkzeug und ein Oberwerkzeug 11 umfasst, eingelegt wird und das Stahlwerkstück 8 zumindest im Bereich der Ausklinkung 9 mit flüssigem Kunststoff, der durch Leitungen 12 innerhalb Oberwerkzeugs 11 befördert bzw. injiziert wird, umspritzt und/oder hinterspritzt wird. Durch die insbesondere winklige
Ausrichtung der Ausklingung wird eine Art Hinterschnitt bereitgestellt, der
insbesondere nach Aushärtung des Kunststoffs, vorzugsweise des faserverstärkten Kunststoffs eine dauerhafte Anbindung an den Stahlwerkstoff sicherstellt und ein Bauteil 15 mit zumindest einer partiell höheren Festigkeit bereitstellt, wobei der ausgehärtete Kunststoff 18 die Ausklinkung vollständig bedeckt.
Alternativ wird ein Kunststoff, der bereits vorgeformt und vorzugsweise als
faserverstärktes passgenaues Kunststoffformteil 13 ausgebildet ist, bereitgestellt, um an den Stahlwerkstoff 8 angebunden zu werden und um ihm zumindest partiell eine höhere Festigkeit zu verleihen. Die Anbindung mit dem Kunststoffformteil 13, das zumindest partiell im Bereich der Ausklinkung 9 angeordnet wird, erfolgt durch hier nicht dargestellte Mittel, wobei die Ausklinkung 9 durch das Kunststoffformteil 13, das vorzugsweise an der entsprechenden Stelle (Anbindungsstelle) eine Öffnung oder einen Schlitz 13 aufweist, durchgeführt wird. Die Länge der Ausklinkung 9 wird derart gewählt, dass zumindest ein Teil der Ausklinkung 9', nachdem die beiden Werkstoffe 16 zusammengeführt wurden, übersteht, welcher in einem weiteren Schritt parallel insbesondere mit Kontakt zum Kunststoffformteil 13 zur formschlüssigen Anbindung (kalt), wiederum um 90° umgestellt wird.
In den Fig. 2a bis 2c sind Beispiele eines Bauteils in Form einer B-Säule gezeigt, insbesondere hergestellt nach einem ersten und zweiten erfindungsgemäßen Verfahren. Das Warmumformen und/oder Presshärten von ebenen oder vorgeformten
Stahlblechen zu Stahlwerkstücken wurden bereits hinreichend beschrieben. In Fig. 2a sind in einer perspektivischen Darstellung eines Stahlwerkstücks 8 in Form einer B-Säule 17 Ausklinkungen 9 gezeigt, die paarweise als Zacken in Form von gleichschenkligen Dreiecken eingeformt sind, wobei die Spitzen der Dreiecke in die Zeichnungsebene (nicht zu sehen) ausgerichtet sind. Alternativ und hier nicht dargestellt, können die Ausklinkungen auch laschen-, kragen- und/oder kronenförmig ausgebildet sein. Die Stelle der Versteifung eines crashrelevanten Bauteils kann vorzugsweise mittels Simulation ermittelt werden. Am Beispiel der B-Säule ist das obere Drittel des Bauteils 17 mit einer höheren Festigkeit zu versehen, wodurch eine Intrusion in Richtung Fahrgastzelle und damit verbunden die Verletzungsgefahr des
Oberkörpers/Kopfes des Fahrzeuginsassen auf der Fahrer- und Beifahrerseite, bei einem Seitenaufprall auf ein Minimum reduziert werden kann. Bei der Auslegung der Geometrie der Ausklinkung ist besonders bevorzugt, dass keine geometrische
Kerbwirkung resultiert. Die Geometrie der Ausklinkung kann ebenfalls im Rahmen einer Simulation ermittelt werden.
In Fig. 2b ist ein Teilbereich der Fig. 2a als Rückansicht gezeigt. Die Verstärkung mittels Kunststoff, vorzugsweise mittels faserverstärktem Kunststoff ist im Zuge einer
Hinterspritzung und/oder Umspritzung erfolgt, wobei der ausgehärtete Kunststoff 18 die Ausklinkungen vollständig bedeckt (vgl. Fig. 1, Bauteil 15).
Alternativ ist in Fig. 2c, als Teilbereich der Fig. 2a als Rückansicht dargestellt, die Anbindung mit einem Kunststoffformteil 13 gezeigt, wobei die Länge der Ausklinkung 9, die im Zuge des Warmumformens und/oder Presshärtens nicht gehärtet wurde, derart bemessen ist, dass zumindest ein überstehender Teil der Ausklinkung 9' nach
Zusammenführen der beiden Werkstoffe in einem weiteren Schritt parallel und in Kontakt zum Kunststoffformteil 13 zur formschlüssigen Anbindung umgestellt wurde (vgl. Fig. 1, Bauteil 16).
Die Erfindung kann auf jegliche crashrelevanten Bauteile angewandt werden und ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Bezugszeichenliste Stahlblech
Rollenherdofen
' Rollengang
Werkzeug
Oberwerkzeug/Stempel
Unterwerkzeug/Matrize
Einkerbung/Vertiefung
Vorsprung/Erhebung
Stahlwerkstück
Ausklinkung
' überstehender Teil der Ausklinkung
0 Spritzgießwerkzeug
1 Oberwerkzeug
2 Leitungen
3 Kunststoffformteil
4 Öffnung/Schlitz
5 Bauteil
6 Bauteil
7 B-Säule
8 ausgehärteter Kunststoff

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils umfassend mindestens zwei
unterschiedliche Werkstoffe, welches sich durch folgende Verfahrensschritte auszeichnet:
Bereitstellen eines härtbaren ebenen oder vorgeformten Stahlblechs oder Stahlprofils,
Vollständiges oder partielles Erwärmen des Stahlblechs oder Stahlprofils auf Austenitisierungstemperatur,
Einlegen des erwärmten Stahlblechs oder Stahlprofils in ein erstes Werkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten des Stahlblechs oder Stahlprofils zu einem vollständig oder partiell gehärteten ersten Stahlwerkstück, wobei im Zuge des Warmumformens und/oder Presshärtens mindestens eine Ausklinkung in das Stahlblech oder Stahlprofil eingeformt wird, die als Anbindung mit mindestens einem zweiten Werkstoff dient,
dadurch gekennzeichnet, dass
als zweiter Werkstoff ein Kunststoff bereitgestellt wird, welcher zur zumindest partiellen Versteifung an dem Stahlwerkstück angebunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausklinkung gehärtet oder nicht gehärtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausklinkung durch den Kunststoff durchgeführt wird und der
überstehende Teil der Ausklinkung in einem weiteren Schritt zur
formschlüssigen Aufnahme umgestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlwerkstück in einem zweiten Werkzeug, insbesondere einem
Spritzgießwerkzeug eingelegt wird und das Stahlwerkstück zumindest im Bereich der Ausklinkung mit flüssigem Kunststoff umspritzt und/oder hinterspritzt wird.
5. Bauteil umfassend mindestens zwei unterschiedliche Werkstoffe, welches ein vollständig oder partiell gehärtetes Stahlwerkstück aufweist, welches mindestens eine Ausklinkung aufweist, über welche mindestens ein zweiter Werkstoff angebunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Werkstoff zur zumindest partiellen Versteifung des
Stahlwerkstücks aus Kunststoff gebildet ist.
6. Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 5 als crashrelevantes Bauteil im Fahrzeug.
7. Verwendung nach Anspruch 6 als A-, B-, C-, D-Säule, Längsträger und/oder Querträger.
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