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DE19951097C1 - Verstärkungselement aus Metallschaum und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Verstärkungselement aus Metallschaum und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE19951097C1
DE19951097C1 DE19951097A DE19951097A DE19951097C1 DE 19951097 C1 DE19951097 C1 DE 19951097C1 DE 19951097 A DE19951097 A DE 19951097A DE 19951097 A DE19951097 A DE 19951097A DE 19951097 C1 DE19951097 C1 DE 19951097C1
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DE
Germany
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component
reinforcing element
reinforcing
foam
metal
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DE19951097A
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Inventor
Michael Ruther
Hans-Guenther Ziegler
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft lokale Verstärkungselemente auf metallischen Bauteilen, insbesondere auf Strukturbauteile. Um auf einfache Weise und ohne großen Gewichtszuwachs eine lokale Verstärkung eines metallischen Bauteils zu erreichen, wird das Bauteil ortsspezifisch mit Verstärkungselementen aus Metallschaum versehen. Diese Verstärkungselemente werden mit Hilfe eines thermischen Auftragsverfahrens, insbesondere mittels Lichtbogen-Auftragsschweißens, erzeugt, wodurch eine lokale Herstellung und eine flächenhafte stabile Verbindung des Verstärkungselements mit der Bauteiloberfläche erreicht werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verstärkungselement aus Metallschaum, insbesondere zur lokalen Verstärkung metallischer Strukturbauteile, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
In der Automobilindustrie kommen für viele Anwendungen Struktur- und Funktionsbauteile zum Einsatz, die als Hohlträger aus Metallblech gefertigt sind und aus Festigkeitsgründen lokal verstärkt werden. Als Verstärkungselemente werden selektiv und lokal weitere Metallbleche in die Bauteile eingeschweißt, die an den Bauteilen angreifende Kräfte aufnehmen und in optimaler Weise in andere Bereiche des Bauteils ableiten. Diese Verstärkungsbleche müssen hochgenau der Bauteilgeometrie entsprechend geformt und eingefügt werden. Weisen die Hohlteile in den zu verstärkenden Bereichen eine komplexe Geometrie auf, so sind auch die Verstärkungsbleche komplex geformt und daher unter Umständen schwierig, aufwendig und daher kostenintensiv herzustellen. Die zusätzlichen Bleche führen zudem zu einem unerwünscht hohen Gewicht des betroffenen Bauteils, insbesondere bei tragenden Hohlteilen, die eine erhöhte Knickfestigkeit bzw. Belastbarkeit erfordern.
Zur Erhöhung der Festigkeit von Hohlteilen bei gleichzeitiger Gewichtsersparnis ist es bekannt, die Hohlteile mit Metallschäumen auszuschäumen. Solche Metallschäume sind poröse Materialien, die eine hohe Steifigkeit mit geringem spezifischem Gewicht und sehr gutem Energieabsorptionsvermögen vereinen. Ein Beispiel einer Versteifung eines Hohlträgers durch ein Verstärkungselement aus Metallschaum ist z. B. aus der DE 196 35 734 A1 bekannt, die ein hohles Formteil beschreibt, in das entweder ein getrennt hergestelltes Schaumstoffteil an definierter Stelle eingebracht wird, oder das mit einem Schaumausgangsmaterial ausgeschäumt wird.
Soll das Verstärkungselement der lokalen Verstärkung bestimmter Bereiche des Hohlträgers dienen, so braucht der Metallschaum nicht den gesamten Innenraum zu füllen. Aus Kosten- und Gewichtsgründen ist es dann günstig, geschäumte Verstärkungselemente an definierten Stellen im Hohlträger anzubringen und dort mit der Hohlträger-Innenwand fest zu verbinden, anstatt den gesamten Hohlträger auszuschäumen. Zur Herstellung eines solchen lokalen Verstärkungselements aus Aluminiumschaum schlägt die JP 0127 5831 A vor, von einem geschäumten Aluminiumblock dünne Scheiben abzuschneiden und mit der Innenwand des Hohlträgers zu verkleben. Dieses Verfahren beinhaltet jedoch viele Arbeitsgänge, ist daher sehr aufwendig und nur bedingt automatisierbar; weiterhin eignet es sich nur für die Herstellung ebener Verstärkungsteile. Die gattungsbildende DE 43 18 540 A1 schlägt vor, einen heißen, nicht vorgeformten Metallschaum direkt auf die zu verstärkende Metallblech aufzubringen; dabei entsteht nach Art der Diffusionshaftung eine feste Verbindung zwischen Metallblech und Metallschaum. Auch dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig, setzt eine Serienanwendung doch die Herstellung und gezielte Aufbringung des sehr heißen schmelzflüssigen Metallschaums in einem einzigen integrierten Arbeitsschritt voraus. Weiterhin zielt das Verfahren schwerpunktmäßig auf eine großflächige Beschichtung des gesamten Metallblechs mit Metallschaum einheitlicher Dicke ab und ist daher nur bedingt geeignet für die Erzeugung lokaler geschäumter Verstärkungselemente auf dem Metallblech.
Aus der DE 197 46 164 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Metall- oder Kunststoffschaums in einem Hohlprofil bekannt, bei dem das schaumfähige Material entweder als Halbzeugformling oder pulverförmig bzw. stückig in das Innere des Hohlprofils eingebracht und dann durch Aufschmelzen bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts aufgeschäumt wird. Allerdings wird das Hohlprofil dabei ausgeschäumt, d. h. in ausgewählten Bereichen wird der gesamte Querschnitt des Hohlprofils mit Schaum gefüllt; bei Verwendung des Verfahrens der DE 197 46 164 A1 ist es daher nicht möglich, lokale schichtartige Verstärkungselemente aufzubringen. - Weiterhin ist in der DE 195 01 659 C1 ein Verfahren zur Herstellung eines Metallschaumteils beschrieben, das von einer Schicht aus einem Metall und einem Treibmittel ausgeht. Die Schicht wird durch ein thermisches Spritzverfahren erzeugt, mit Hilfe dessen ein Metallpulver zusammen mit dem Treibmittel auf die Oberfläche des zu verstärkenden Bauteils aufgespritzt wird. Das Verfahren der DE 195 01 659 C1 besteht allerdings aus zwei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten - nämlich zunächst dem Aufspritzen des Gemischs aus Metallpulver, und dann dem Aufschäumen der Schicht durch Aufheizen der Schicht auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur und Schaumbildungstemperatur - und ist daher verhältnismäßig aufwendig und kostenintensiv.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, lokale Verstärkungselemente aus Metallschaum auf metallischen Bauteilen auf einfache Weise zu erzeugen, wobei eine feste Verbindung des Verstärkungselements mit der Bauteiloberfläche gewährleistet werden soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Ansprüche 1 und 3 gelöst.
Danach wird direkt in dem zu verstärkenden Bereich des Bauteils mit Hilfe eines thermischen Auftragsverfahrens ein geschäumtes Verstärkungselement erzeugt. Dies entspricht einem Auftrags-Schweißprozeß, bei dem - im Unterschied zu dem beim herkömmlichen Schweißvorgang gewünschten Schweißergebnis - der Schweißbereich gezielt mit einer hohen Zahl von Poren versehen wird, wobei eine schaumartige Konsistenz des geschweißten Bereiches entsteht. Durch den Auftrag des geschäumten Schweißguts mit Hilfe eines Schäumwerkzeugs, z. B. eines Schweißbrenners, wird die Oberfläche des Bauteils in dem zu verstärkenden Bereich lokal erwärmt, so daß zwischen dem Bauteiloberfläche und dem geschäumten Schweißgut Diffusionshaftung eintritt, welche eine belastbare Verbindung des Schaums mit dem Bauteil sicherstellt. Der Schaumauftrag ist hierbei auf den jeweils durch das Schäumwerkzeug erhitzten Bereich begrenzt, so daß ein gezieltes lokales Aufbringen des Schaums erfolgt. Die geschäumten Verstärkungselemente gewährleisten somit eine gezielte Erhöhung der Festigkeit und Torsionssteifigkeit des Bauteils und beinhalten gleichzeitig eine erhebliche Gewichtseinsparung gegenüber der Bauteilverstärkung durch eingeschweißte Zusatzbleche. Eine besonders hohe Gewichtseinsparung läßt sich erzielen, wenn als Auftragswerkstoff eine Leichtmetall, z. B. Aluminium, verwendet wird (siehe Anspruch 2).
Das erfindungsgemäße geschäumte Verstärkungselement ermöglicht die lokaler Verstärkung eines weiten Spektrums unterschiedlicher Bauteilgeometrien. Dabei können insbesondere auch konkav gekrümmte, schalen- und trogförmige und mit Hinterschneidungen versehene Flächen verstärkt werden, auf denen die bisher zur Verstärkung verwendeten eingeschweißten Zusatzbleche nur unter großen Schwierigkeiten bzw. gar nicht eingebracht werden konnten. Durch die lokale Erzeugung der Verstärkungselemente direkt auf der Bauteiloberfläche können somit die konstruktiven Variationsmöglichkeiten bei der Gestaltung tragender und sicherheitsrelevanter Bauteile erheblich erweitert werden. Die geschäumten Verstärkungselemente können sogar direkt auf der Innenwand hohler Bauteile, z. B. Hohlträger, erzeugt werden, sofern die Bauteile Öffnungen aufweisen, die ein Eindringen des Schäumwerkzeugs gestatten (siehe Anspruch 8).
Zur Erzeugung und zum Aufbringen des Metallschaums, insbesondere auf komplexe Bauteilgeometrien, sind Lichtbogen-Schweißverfahren (WIG, MIG, MAG) besonders geeignet, weil sie eine sehr variable Gestaltung der zugehörigen Schäumwerkzeuge und somit eine gute Zugänglichkeit in unterschiedliche Bauteile gestatten (siehe Anspruch 4). Zur Schaumerzeugung wird hierbei ein Treibmittel verwendet, das in dem erhitzten Schweißgut Poren hervorruft; das Treibmittel wird gemeinsam mit dem metallischen Auftragswerkstoff dem Schäumwerkzeug zugeführt. Hierbei kann es vorteilhaft sein, das Treibmittel in festem Aggregatzustand zum Schweißbereich zu transportieren (siehe Anspruch 5), so daß beispielsweise der mit einem pulverförmigen Treibmittel versetzte Auftragswerkstoff in Form eines Drahts oder eines Bandes dem Schäumwerkzeug zugeführt wird.
Alternativ kann das Treibmittel in gasförmigem Aggregatzustand zugeführt werden (siehe Anspruch 6 und 7). In diesem Fall kann die Zuführung des Treibgases über dieselben Gasleitungen erfolgen, über die beim herkömmlichen Schweißen das Schutzgas zugeführt wird.
Soll das zu verstärkende Bauteil aus Stabilitätsgründen mit einer besonders dicken geschäumten Verstärkungsschicht versehen werden, so werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrere Einzelschichten des geschäumten Schweißwerkstoffs schichtweise aufeinandergefügt (siehe Anspruch 9). Durch diese Methode können insbesondere auch Verstärkungsrippen, die näherungsweise senkrecht von dem Bauteil abragen, erzeugt werden. Weiterhin können durch dieses schichtweise Aufeinandersetzen von Verstärkungselementen flächenhafte Schaumpolster hergestellt werden, die sich auch als Aufprallschutz, z. B. als Deformationselemente in Fahrzeugseitentüren, eignen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert; dabei zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze der Erzeugung eines Metallschaums mittels eines Schäumwerkzeugs;
Fig. 2a einen Auftragsschweißdraht, dessen Inneres mit Treibmittelpulver gefüllt ist;
Fig. 2b einen Auftragsschweißdraht aus verpreßtem pulverförmigem Zusatzwerkstoff und Treibmittel;
Fig. 3 ein Verstärkungselement, das aus mehreren Metallschaumschichten aufgebaut ist.
Fig. 1 zeigt ein metallisches Bauteil 1, dessen Oberfläche 2 in einem definierten Bereich 3 durch Metallschaum 4 lokal verstärkt werden soll. Hierzu wird als Schäumwerkzeug 5 ein Lichtbogen-Schweißbrenner 5', z. B. ein Wolfram-Inertgas-Schweißsystems (WIG), verwendet. Zwischen der Elektrode 6 des Schweißbrenners 5' und der Oberfläche 2 des Bauteils 1 brennt ein Lichtbogen 7, dem ein Zusatzwerkstoff 8 in Drahtform zugeführt und im Lichtbogen 7 geschmolzen wird. Gleichzeitig mit dem Abschmelzen des Zusatzwerkstoffs 8 wird dem Lichtbogen 7 über eine im Schweißbrenner 5' integrierte Gasleitung 9 ein gasförmiges Treibmittel 10 zugeführt. Das Treibmittel 10 führt zur Erzeugung von Gasbläschen 11 im Schmelzbereich 12, welche nach dem Erstarren des Schweißguts 13 als Poren 11' im Schweißgut 13 verbleiben. Dadurch erhält das Schweißgut 13 die Konsistenz eines Metallschaums 4. Der erstarrte Metallschaum 4 bildet somit Teil eines lokalen geschäumten Verstärkungselements 14.
Die Dichte des Metallschaums 4 ist abhängig von der Größe und der Dichte der Poren 11' im Schweißgut 13. Zur Erzeugung eines leichtgewichtigen Schaums 4 muß eine hohe Porendichte erreicht werden. Hierzu ist es günstig, als Treibmittel 10 ein Gas zu verwenden, das die Viskosität des Schmelzbereiches 12 erhöht, so daß möglichst wenige Gasbläschen 11 aus dem geschmolzenen Metall entweichen und der Großteil der Gasbläschen 11 bis zum Erstarren der Schmelze im Schweißgut 13 verbleiben. Unter bestimmten Umständen kann es weiterhin günstig sein, ein Treibmittel 10 zu wählen, das im Schmelzbereich 12 mit dem geschmolzenen Zusatzwerkstoff 8 eine chemische Reaktion eingeht, bei dem als Reaktionsprodukt wiederum ein Gas frei wird, das zur Schäumung des geschmolzenen Zusatzwerkstoffs 8 beiträgt. Durch eine geeignete Wahl des Gases kann weiterhin die Größe der Poren 11' beeinflußt werden. Diese chemische Reaktion sollte jedoch nur in dem erhöhten Temperaturbereich der Schmelze, nicht aber bei Raumtemperatur stattfinden, um eine eventuelle nachträgliche Korrosion des Schaums 4 zu vermeiden.
Alternativ zur oben beschriebenen Zuleitung des Treibmittels 10 in gasförmigem Aggregatzustand kann das Treibmittel dem Schmelzbereich 12 auch in Pulverform zugeführt werden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, das pulverförmige Treibmittel 10' in einem neutralen Trägergas, z. B. Druckluft oder CO2, zu suspendieren. Der Strom des mit Treibmittel 10' vermischten Trägergases wird gleichzeitig mit dem in Drahtform vorliegenden Zusatzwerkstoff 8 dem Schmelzbereich 12 zugeleitet und führt dort zu einem Aufschäumen des geschmolzenen Zusatzwerkstoffs 8.
Weiterhin ist es möglich, ein pulverförmiges Treibmittel 10' gemeinsam mit dem Zusatzwerkstoff 8 zuzuführen. In diesem Fall kann z. B. - analog zu einer Fülldrahtelektrode - ein metallischer Zusatzwerkstoff 8 verwendet werden, der in Form einer röhrenförmigen Hülle 15 vorliegt und in dessen Inneren 16 das pulverförmige Treibmittel 10' enthalten ist (siehe Fig. 2a). Im Lichtbogen 7 des Schweißbrenners 5' schmilzt die Hülle 15 aus Zusatzwerkstoff 8, während gleichzeitig das im Inneren 16 der Hülle 15 enthaltene Treibmittel 10' verdampft und den Zusatzwerkstoff 8 aufschäumt. Es kann weiterhin zweckmäßig sein, sowohl für das Treibmittel 10' als auch für den Zusatzwerkstoff 8 einen pulverförmigen Ausgangsstoff zu verwenden (siehe Fig. 2b): Das Metallpulver 8' des Zusatzwerkstoffs 8 wird mit dem Treibmittelpulver 10' in geeigneter stöchiometrischer Zusammensetzung gemischt, verpreßt und dann z. B. in Drahtform 17 dem Schmelzbereich 12 zugeführt. Im Lichtbogen 7 schmilzt das Metallpulver 8' auf, während das fein mit dem Metallpulver 8' gemischte Treibmittel 10' verdampft und dabei den geschmolzenen Zusatzwerkstoff 8 aufschäumt.
Neben dem WIG-Schweißen kann alternativ auch das MIG-Schweißen verwendet werden, mit Hilfe dessen höhere Abschmelzleistungen erreichbar sind. Weiterhin kann auch das Plasmaschweißen angewandt werden. Außerdem kann zum Auftrag des Zusatzwerkstoffs 8' auch das Gas-Pulverauftragsschweißen oder das Plasma-Pulverauftragsschweißen verwendet werden. In beiden Fällen wird zur Förderung des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs 8' entweder ein gasförmige Treibmittel 10 verwendet, oder das pulverförmige Treibmittel 10' wird gemeinsam mit dem pulverförmigen Zusatzwerkstoff 8' mittels eines Trägergases in den Schmelzbereich 12 geleitet.
Der beim Auftragsschweißen in den Lichtbogen 7 eingeführte Zusatzwerkstoff 8, 8' schmilzt auf und wird - unter Einwirkung des Treibmittels 10, 10' - als Metallschaum 4 auf der Oberfläche 2 des Bauteils 1 abgesetzt. Die Vermischung mit dem Material des Bauteils 1 ist dabei gering; gleichzeitig wird durch den Lichtbogen 7 die Oberfläche 2 des Bauteils 1 lokal erwärmt, so daß zwischen dem Schweißgut 13 und der Oberfläche 2 Diffusionshaftung eintritt und das Schweißgut 13 fest und flächenhaft mit der Bauteiloberfläche 2 verbunden ist. Mit Hilfe dieses Verfahrens läßt sich ein weites Spektrum verschiedener Zusatzwerkstoffe 8, 8' aufbringen. Besonders leichte Metallschäume 4 entstehen, wenn als Zusatzwerkstoff 8, 8' ein Leichtmetall, z. B. eine Aluminiumlegierung, verwendet wird.
Soll mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein großer Bereich 3 auf der Bauteiloberfläche 2 mit einem Verstärkungselement 14 aus Metallschaum 4 versehen werden, so empfiehlt sich die Verwendung eines flächenhaften Auftragsschweißverfahrens, analog zum Bandplattieren. Hierzu wird eine Elektrode 6 verwendet, deren Breite derjenigen des gewünschten Verstärkungselement 14 angepaßt ist, und der Zusatzwerkstoff 8, 8' wird in Form von Bändern zugeführt; Verstärkungselemente 14 mit Breiten bis zu 100 mm und mehr können so in einem einzigen Arbeitsgang aufgetragen werden. Alternativ kann die Auftragsbreite durch eine Pendelbewegung des Schäumwerkzeugs 5 vergrößert werden.
Mit den bisher beschriebenen Verfahren können Verstärkungselemente 14 mit einer Schichtdicke 18 von bis zu etwa 5 mm erzeugt werden. Soll in dem definierten Bereich 3 ein dickeres Verstärkungselement 14 hergestellt werden, so können, wie in Fig. 3 gezeigt, mehrere geschäumte Verstärkungselemente 14 schichtweise aufeinanderfolgend aufgebracht werden. Dadurch entstehen Verstärkungselemente 14' beliebiger Dicke 18'. Auf diese Weise können flächenhafte Polster, Verstärkungsrippen etc. erzeugt werden.
Weiterhin können Verstärkungselemente 14 direkt auf die Innenwände 2 hohler Bauteile 1 aufgetragen werden. Hierzu eignet sich insbesondere das MIG-Verfahren, da es besonders kleine und handliche Ausführungsformen des als Schäumwerkzeug 5 verwendeten Schweißbrenners 5' gestattet. Der Schweißbrenner 5' und der Zuführungsmechanismus des Zusatzwerkstoff-Drahts werden durch eine Öffnung des Bauteils 1 in das Innere hineingeführt und sind so gestaltet, daß mittels dieses Schweißbrenners 5' im gewünschten Bereich 3 ein geschäumtes Verstärkungselement 14, 14' erzeugt werden kann.
Neben der oben beschriebenen Verwendung von Lichtbogen-Schweißverfahren kann der Auftrag des Schaums auch mittels Plasma- oder Laserschweißen erfolgen.

Claims (9)

1. Flächenhaftes Verstärkungselement aus Metallschaum zur Verstärkung eines metallischen Bauteils, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement (14, 14') mit Hilfe eines Auftrags-Schweißverfahrens in einem örtlich begrenzten Bereich (3) auf der Oberfläche (2) des Bauteils (1) erzeugt ist und in diesem Bereich (3) flächenhaft mit der Oberfläche (2) des Bauteils (1) verbunden ist.
2. Verstärkungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement (14, 14') aus Aluminiumschaum besteht.
3. Verfahren zur Herstellung eines flächenhaften Verstärkungselements aus Metallschaum an einem metallischen Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement (14, 14') mittels eines Auftrags-Schweißverfahrens auf der Oberfläche (2) des Bauteils (1) erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement (14, 14') mit Hilfe eines Lichtbogen-Schweißverfahrens erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterialien zur Herstellung des Verstärkungselements (14, 14') ein metallischer Zusatzwerkstoff (8, 8') und ein Treibmittel (10') verwendet werden, wobei sowohl Zusatzwerkstoff (8, 8') als auch Treibmittel (10') im festen Aggregatzustand vorliegen.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterialien zur Herstellung des Verstärkungselements (14, 14') ein metallischer Zusatzwerkstoff (8, 8') und ein Treibgas (10) verwendet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß ein metallischer Zusatzwerkstoff (8, 8') zusammen mit einem Treibgas (10) auf einem zu verstärkenden Bereich (3) des Bauteils (1) bereitgestellt wird,
  • - daß unter Verwendung des Auftrags-Schweißverfahrens der Zusatzwerkstoff (8, 8') mit Hilfe des Treibgases (10) aufgeschäumt wird, so daß auf dem zu verstärkenden Bereich (3) des Bauteils (1) ein Metallschaum (4) entsteht,
  • - und daß durch das Auftrags-Schweißverfahren gleichzeitig die Bauteiloberfläche (2) in dem zu verstärkenden Bereich (3) so stark erwärmt wird, daß eine flächenhafte Verbindung zwischen Metallschaum (4) und Bauteiloberfläche (2) entsteht.
8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement (14, 14') auf der Innenwand (2) eines Hohlkörpers (1) erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch schichtweise aufeinanderfolgendes Aufbringen mehrerer Verstärkungselemente (14) auf einen Bereich (3) des Bauteils (1) in diesem Bereich (3) ein Verstärkungselement (14') größerer Schichtdicke (18') erzeugt wird.
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