DE19612781C1 - Bauteil aus metallischem Schaumwerkstoff, Verfahren zum Endformen dieses Bauteils und Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauteil aus einem me­ tallischen Schaumwerkstoff nach dem Oberbegriff von An­ spruch 1 oder Anspruch 2. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Endformen eines aus im wesentlichen flä­ chigem metallischem Schaumwerkstoff gebildeten Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 sowie Vorrichtungen zur Ausführung des Verfahrens.

Metallische Schaumwerkstoffe, die entweder alleinig eine Metallpulver und Treibmittel umfassende aufschäumbare Schicht enthalten oder die eine aufschäumbare Metallpulver und Treibmittel umfassende Schicht enthalten, die mit zu­ mindest einem massivmetallischen Blech als Deckschicht versehen ist, wobei zwischen dem massivmetallischen Blech und der aufschäumbaren Schicht metallische Bindungen be­ stehen, sind an sich bekannt.

In der DE 41 01 630 A1 ist dargestellt, wie aus einem me­ tallischen Pulver und einer Zugabe eines gasabspaltenden Treibmittelpulvers, vorzugsweise eines Metallhydrides, ein Schaumwerkstoff gebildet wird, der nach der Durch­ mischung einem hohen Druck und hoher Temperatur ausgesetzt wird, was beispielsweise durch einen Warm-Walzvorgang erreicht werden kann, und anschließend abgekühlt wird, so daß ein aufschäumbares Halbzeug entsteht.

In der DE 44 26 627 A1 ist die Herstellung eines Werkstof­ fes mit einer aufschäumbaren, aus Metallpulver und Treib­ mittel bestehenden Schicht, die zumindest von einer mas­ sivmetallischen Deckschicht begrenzt ist, dargestellt. Für flächige Verbundwerkstoffe dieser Art wird dabei eine Ver­ bindung der unterschiedlichen Schichten durch Walzplattie­ ren vorgeschlagen, wodurch ein flacher Schichtwerkstoff entsteht, der nach seiner Endformung aufgeschäumt werden soll.

Die vorgestellten Verfahren zur Herstellung eines geeigne­ ten Schaumwerkstoffes zeigen noch keine Möglichkeit, aus den zur Verfügung gestellten Werkstoffen in reproduzierba­ rer Weise Serienbauteile zu bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, metallische Leichtbauteile für eine konstant maßhaltige Serienferti­ gung, insbesondere im Fahrzeugbau, aus flächigen Schaum­ werkstoffen der eingangs genannten Art zu schaffen.

Die Erfindung sieht zur Lösung dieser Aufgabe für ver­ schiedene Ausgangswerkstoffe Bauteile mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2 vor sowie ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 6.

Das erfindungsgemäße Bauteil löst alle wesentlichen geome­ trischen Anforderungen, die im Karosserie- und Fahrzeugbau an flächige metallische Bauteile gestellt werden. Durch die Ausbildung der Übergangswinkel zwischen 100° und weni­ ger als 180° ist erreicht, daß die Struktur der aufge­ schäumten Schicht im Bereich der Übergänge nicht unterbro­ chen, eingezogen oder verdünnt ist, so daß die mechanische Stabilität und Maßhaltigkeit des Bauteils über seinen ge­ samten Bereich erhalten bleibt.

Ein erfindungsgemäßes Bauteil weist eine sehr geringe Masse auf, wobei gleichzeitig eine hohe Steifigkeit, ins­ besondere bei Mehrschichtverbünden, gegeben ist, so daß solche Bauteile sowohl im tragenden Bereich der Karosserie als auch zu Verkleidungs- und Abschirmzwecken eingesetzt werden können.

Bauteile, die allein aus einer Metallpulver und Treibmit­ tel umfassenden aufgeschäumten porösen Schicht bestehen, sog. Integralschaum, können insbesondere als Crashelemente eingesetzt werden, wobei sich durch die zellige Struktur des aufgeschäumten Werkstoffes eine sehr gute Energieab­ sorbtionsfähigkeit bei Verformung des Bauteiles ergibt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Bauteiles ist es möglich, dieses vor seinem Aufschäumen soweit zu verfor­ men, daß es beispielsweise als innere Lage einer Stoß­ stange aus z. B. Kunststoff eingesetzt werden kann.

Bauteile, die eine aufgeschäumte metallische Schicht um­ fassen, die einseitig mit einer massivmetallischen Deck­ schicht versehen ist, sind geeignet, sehr leichte und hochsteife Bauteile, beispielsweise ein Fahrzeugdach, das ohne eine versteifende Unterkonstruktion auskommt, zu bilden.

Werkstoffe, die eine aufgeschäumte Schicht und eine beid­ seitige Plattierung mit einem massivmetallischen Blech aufweisen, sind geeignet zur Herstellung von Bauteilen, die beiderseits eine glattwandige und Zug- und Druckkräfte aufnehmende Oberfläche aufweisen, beispielsweise für die hintere Querwand eines Fahrzeuges. Die aufgeschäumte Lage übernimmt dabei die Funktion des Abstandhalters sowie die Übertragung der Schubkräfte. Ein solches Bauteil weist ebenfalls eine hohe Steifigkeit bei geringer Masse auf, ist geeignet, hohe Energien - etwa bei einem Unfall - auf­ zunehmen und ist zudem gut schallisolierend.

Die aufgeschäumte Schicht besteht üblicherweise aus einem Metallpulver auf Aluminiumbasis mit zulegierten Anteilen - beispielsweise von Silizium. Durch eine geeignete Wahl der Legierungselemente und -anteile sind mechanische Eigen­ schaften des Bauteils einstellbar. Auch für massivmetalli­ sche Bleche bietet sich die Verwendung von Leichtmetalle­ gierungen an.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung des Bauteils sowie seines Her­ stellungsverfahrens. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 in schematischer Ansicht schräg von oben eine Tiefziehform mit aufgelegtem zu ver­ formendem Schaumwerkstoff,

Fig. 2 ein in eine Aufschäumform eingelegtes und einseitig endkonturiertes Formhalbzeug in schematischer perspektivischer Ansicht,

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht des Bauteils am Ende des Aufschäumprozesses,

Fig. 4 das gesamte Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Bauteil im schematischen Überblick,

Fig. 5 das erfindungsgemäße Aufschäumen des Bau­ teils in einem schematischen Ablaufplan.

Ein erfindungsgemäßes Bauteil 1 weist eine aufgeschäumte Schicht 2 auf, die ein Metallpulver und ein Treibmittel umfaßt, die durch einen Mischungsvorgang homogen mitein­ ander vermengt wurden und anschließend unter Druckeinwir­ kung, etwa durch axiales Pressen oder durch Strangpressen, zu einem kompakten, aufschäumbaren Halbzeug 2′′ verdichtet und verfestigt worden ist.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die aufgeschäumte Schicht 2 ober- und unterseitig mit jeweils einem massiv­ metallischen Blech 3, 4 versehen, was jedoch nicht zwingend ist und insbesondere bei Ausbildung eines erfin­ dungsgemäßen Bauteils 1 als Crashelement verzichtbar ist. Es ist weiterhin möglich, eine aufgeschäumte Schicht 2 mit nur einer massivmetallischen Deckschicht 3 bzw. 4 zu ver­ binden oder auch Verbünde aus mehreren unterschiedlichen aufgeschäumten Schichten, eventuell abgetrennt durch mas­ sivmetallische Schichten, herzustellen, etwa um Aufpral­ lelemente zu schaffen, bei denen je nach Aufprallgeschwin­ digkeit und damit -energie eine unterschiedliche Anzahl von aufgeschäumten Schichten an der Verformung durch den Aufprall teilnimmt.

Im Ausführungsbeispiel einer doppelseitig mit massivmetal­ lischen Blechen 3 und 4 versehenen aufgeschäumten Schicht 2 ist die Verbindung zwischen der am Ende des Ver­ fahrens aufgeschäumten Schicht 2 und den massivmetalli­ schen Blechen 3 und 4 unter Druckeinwirkung derart zu­ standegekommen, daß eine metallische Bindung zwischen den einzelnen Schichten 2′, 3′, 4′ vor der Umformung und Auf­ schäumung erreicht worden ist. Dazu bietet sich an, ein Walzplattieren eines Verbundes aus dem aufschäumbaren Halbzeug 2′′, das nach dem Strangpressen bzw. axialen Pressen entstanden ist, und den massivmetallischen Ble­ chen 3′′, 4′′ zwischen zwei Walzen 5 vorzunehmen, so daß ein Verbundwerkstoff 6 mit Sandwichstruktur zweier massiv­ metallischer Deckschichten 3′ und 4′ und einer noch nicht aufgeschäumten porösen Zwischenschicht 2′ entsteht.

Ein solcher im wesentlichen flächiger metallischer Ver­ bundwerkstoff 6, der in jedem Fall eine noch aufschäumbare Schicht 2′ umfaßt, weist zwischen den metallischen Ble­ chen 3′ und 4′ und der aufschäumbaren Schicht 2′ metalli­ sche Bindungen auf und steht nun zur weiteren Bearbeitung zur Verfügung. Dieser flächige Verbundwerkstoff 6 wird zunächst in Stücke geeigneter Größe zerteilt, beispiels­ weise mit Hilfe einer Säge.

Ein solcher auf die gewünschten Außenmaße zurechtgeschnit­ tener Verbundwerkstoff 6 wird nun zu einem Formhalbzeug 7 umgeformt, wobei die Umformung sowohl eine kontinuierliche Krümmung des Verbundwerkstoffes 6 bewirken kann als auch die Ausprägung einzelner Bereiche 7′.

In jedem Falle weist die zur Umformung des Verbundwerk­ stoffes 6 zum Formhalbzeug 7 eingesetzte Form 8 quer zur Auflagefläche des Verbundwerkstoffes 6 Winkel γ in einer Größe zwischen etwa 100° und 260° auf, wobei die Kanten abgerundet sind, um somit ein direktes Abkanten des Ver­ bundwerkstoffes 6 zu vermeiden. Dadurch bleibt der Verbund auch in den Winkelbereichen erhalten, und die mechanische Festigkeit des durch die Umformung erreichten Formhalb­ zeuges 7 weist keine punktuellen Schwachstellen auf.

Das Umformen kann durch bekannte übliche Umformmaßnahmen erfolgen, etwa durch Tiefziehen mit und ohne Niederhalter, wie es im Karosseriebau bekannt ist, oder durch ein ein­ seitiges Umformverfahren, wie etwa das Fluidzellverfahren.

In jedem Falle wird ein Formhalbzeug 7 erhalten, das ent­ weder planebene oder gekrümmte Flächenbereiche 7′′ enthält und eventuell aus diesem ausgeformte Konturen 7′ und das zur weiteren Bearbeitung eine aufschäumfähige Lage 2′ um­ faßt.

Das Aufschäumen des Formhalbzeuges 7 zu einem Bauteil 1 in einer definierten, reproduzierbaren und maßhaltigen Weise zu gestalten ist die eigentliche Intention der Erfindung, weil dadurch erst ermöglicht wird, Bauteile für eine Se­ rienfertigung zur Verfügung zu stellen.

Dazu wird das Formhalbzeug 7 in eine Aufschäumform 9 ein­ gelegt, deren eine Wandung 12 eine Seite 10 des Formhalb­ zeuges 7 im wesentlichen flächendeckend abstützt, so daß diese Seite 10 bereits ihre Endkontur aufweisen muß, da eine weitere Konturgebung durch das Aufschäumen des Form­ halbzeuges 7 zu einem Bauteil 1 keine Verformung dieser Seite 10 mehr mit sich bringt.

Die Wandungen 12, 13 der Aufschäumform 9 können beispiels­ weise aus Stahl oder auch aus Keramik bestehen. In jedem Fall ist wichtig, daß das Bauteil 1 trotz seines beim Auf­ schäumen herrschenden Innendruckes keine Verbindung mit den Wandungen 12, 13 der Aufschäumform 9 eingeht. Um hier jegliches Aneinanderhaften zu unterbinden, können diese Wandungen 12, 13 beschichtet sein.

Durch die flächige Unterstützung einer endkonturierten Seite 10 des noch nicht aufgeschäumten Formhalbzeuges 7 wird beim Aufschäumen vermieden, daß diese bereits die Endkontur des späteren Bauteils 1 aufweisende Seite 10 während des Aufschäumens durch den Druck des gasabspal­ tenden Treibmittels in der aufschäumenden Schicht 2′ nach außen hin verformt wird. Dabei ist es vorteilhaft und für manche Anwendungen zwingend, der gegenüberliegenden Seite 11 des Formhalbzeuges 7 eine weitere Wandung 13 der Aufschäumform 9 zuzuordnen, die mit festem Abstand zur Wandung 12 angeordnet ist, um dadurch das Maß der Ausdeh­ nung der aufschäumenden Schicht 2′ definiert zu begrenzen und somit eine Maßhaltigkeit des fertigen Bauteils 1 mit weniger als 5/10 mm Abweichung zu ermöglichen. Durch eine Einstellbarkeit des Abstandes der Wandungen 12 und 13 läßt sich die Dicke des Bauteils 1 vorwählen - und damit auch seine Dichte und seine mechanische Festigkeit. Dadurch ist erreicht, daß derselbe Ausgangswerkstoff für Bauteile 1 mit völlig verschiedenen Eigenschaften verwendet werden kann. Je größer der erlaubte Aufschäumweg in der Auf­ schäumform 9 gelassen wird, desto geringer ist die Dichte des fertigen Bauteils 1. Auch seine Steifigkeit läßt sich auf diese Weise einstellen. Damit können beispielsweise die unterschiedlichen Steifigkeitsanforderungen eines kur­ zen PKW-Daches bzw. eines langen Daches eines Kombis über den Grad der Aufschäumung erfüllt werden.

Die obere Wandung 13 der Aufschäumform kann entfallen, wenn an die Dickenmaßhaltigkeit des aufschäumenden Form­ halbzeuges 7 nur geringe Ansprüche gestellt werden, wie beispielsweise bei der Ausbildung von Crashelementen.

In den meisten Fällen wird es jedoch unverzichtbar sein, durch beide Wandungen 12 und 13 den Aufschäumweg und damit das Endmaß des aufgeschäumten Bauteils 1 zu begrenzen, wodurch eine Serienfertigung immer gleicher aufgeschäumter Bauteile 1 ermöglicht ist.

Die beiden gegenüberliegenden Wandungen 12 und 13 der Auf­ schäumform 9 weisen dabei im wesentlichen parallele Flä­ chenstrukturen auf, da es nicht möglich ist, durch das Aufschäumen weitere Strukturen etwa nur in eine Oberflä­ che 11 des Formhalbzeuges 7 einzuprägen - etwa durch Aus­ sparungen in der begrenzenden Wand 13 der Aufschäum­ form 10.

Durch ein derart definiertes Aufschäumen werden Bauteile 1 als Leichtbauserienprodukte erhalten, die beispielsweise als Karosserieinnenbleche, als Spritzwände oder Abtrenn­ wände gegenüber Motor- oder Kofferraum oder zur crash­ sichernden und aussteifenden Funktion innerhalb der Karos­ serie eingesetzt werden können.

Solche Bauteile können insgesamt gekrümmt sein, beispiels­ weise zur Verwendung als Türaußenbleche, oder aus planebe­ nen oder gekrümmten Bereichen 1′′ herausgearbeitete ausge­ prägte Konturen 1′ umfassen, die im Bereich der Übergänge gegenüber dem gekrümmten oder planebenen Flächenbereich Winkel α in der Größenordnung zwischen 100° und weniger als 180° aufweisen, so daß hiermit die verschiedensten Anforderungen an Karosseriebleche bzw. Karosserieinnen­ bleche erfüllt werden können - mit sehr leichten und ver­ windungssteifen Bauteilen 1.

Ebenso können innerhalb der ausgeprägten Konturen 1′ Win­ kel β in der gleichen Größenordnung auftreten, so daß auch hier eine maximale Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an die Ansprüche der Karosseriebauer gegeben ist.

Mit dem hier vorgestellten Verfahren und den daraus resul­ tierenden Bauteilen ist es erstmals möglich, Werkstoffe aus metallischen Schäumen - und eventuell massivmetalli­ schen Blechen, die mit diesen verbunden sind - zur Serien­ fertigung einzusetzen und in reproduzierbarer Weise durch bekannte Umformprozesse und ein anschließendes definiertes Aufschäumen der Metallpulver und Treibmittel enthaltenden Schicht 2′ die Vorteile, die ein solcher Leichtbau bietet, in die Praxis umzusetzen.

Claims (13)

1. Bauteil, insbesondere Karosseriebauteil für Kraftfahr­ zeuge, bestehend aus einem metallischen Schaumwerkstoff mit einer Metallpulver und Treibmittel umfassenden aufge­ schäumten porösen Schicht, dadurch gekennzeichnet daß das Bauteil (1) zumindest eine aus seiner Fläche (1′′) erhaben ausgeprägte Kontur (1′) aufweist, wobei die im Bereich der Übergänge zwischen der dreidimensional ausgeformten Kontur (1′) und dem Flächenbereich (1′′) vorkommenden Winkel (α) in einer Größenordnung zwischen 100° und < 180° gehalten sind.

2. Bauteil, insbesondere Karosseriebauteil für Kraftfahr­ zeuge, bestehend aus einem metallischen Schaumwerkstoff mit zumindest einer Metallpulver und Treibmittel umfas­ senden aufgeschäumten porösen Schicht und zumindest einem massivmetallischen Blech, wobei zwischen dem massivmetal­ lischen Blech und der aufgeschäumten porösen Schicht me­ tallische Bindungen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1) zumindest eine aus seiner Fläche (1′′) erhaben ausgeprägte Kontur (1′) aufweist, wobei die im Bereich der Übergänge zwischen der dreidimensional ausge­ formten Kontur (1′) und dem Flächenbereich (1′′) vorkom­ menden Winkel (a) in einer Größenordnung zwischen 100° und < 180° gehalten sind.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2 mit einer erhaben aus­ geprägten Kontur, innerhalb der Winkel auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß diese Winkel (β) im Bereich von 100° bis < 180° gehalten sind.

4. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenbereiche (1′′) plan­ eben sind.

5. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenbereiche (1′′) ge­ krümmt sind.

6. Verfahren zum Endformen eines aus im wesentlichen flächigem metallischem Schaumwerkstoff gebildeten Bau­ teils, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, das zumindest eine mit einem Treibmittel vermischtes Metallpulver umfassende Schicht aufweist, wobei der flächige Schaumwerkstoff durch einseitige oder beidseitige Formgebung in ein dreidimensionales und ein­ seitig endkonturiertes Formhalbzeug umgeformt wird, da­ durch gekennzeichnet, daß das so gebildete Formhalb­ zeug (7) in eine mit einer Wandung (12) an dessen endkon­ turierte Seite (10) angepaßte Aufschäumform (9) einge­ bracht und darin aufgeschäumt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6 zum Endformen eines Bauteils, das zumindest ein massivmetallisches Blech aufweist, das mit zumindest einer Treibmittel und Metallpulver umfassenden Schicht verbunden ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech und die Metallpulver umfassende Schicht durch Walzplattieren miteinander verbunden sind und die Schich­ ten nach Druckeinwirkung mit metallischer Bindung aneinan­ derhaften.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Anpassung der Wan­ dungen (12, 13) der Aufschäumform an beide Seiten (10, 11) des Formhalbzeuges (7) das Maß der Ausdehnung der aufschäumenden Schicht (2′) durch die Wandungen (12, 13) der Aufschäum­ form (9) definiert begrenzt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Umformung des Verbund­ werkstoffes (6) eine Krümmung von Flächenbereichen (7′′) in einem Formhalbzeug (7) bewirkt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Umformung des Verbundwerkstoffes (6) eine Ausprägung von Teilbe­ reichen (7′) aus Flächenbereichen (7′′) des Formhalbzeu­ ges (7) bewirkt wird.

12. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß für die Umformung eine Form (8) vorgesehen ist, die den aufliegenden flächigen Verbundwerkstoff (6) ein­ seitig abstützt und quer zu dessen Auflagefläche Win­ kel (γ) in einer Größe zwischen 100° und 260° aufweist.

13. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die gegenüberliegenden Wandungen (12, 13) der Aufschäumform (9) im wesentlichen parallele Flächen­ strukturen aufweisen.