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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Bauteils, insbesondere eines Karosserieteiles, bei dem ein Werkstück
zur Herstellung des Bauteils mehrere Fertigungsstufen durchläuft
und in jeder Fertigungsstufe ein Fertigungsverfahren durchgeführt
wird, wobei das Werkstück zwecks Realisierung einer jeden
Fertigungsstufe jeweils einer Bearbeitungsstation zur Durchführung
des jeweiligen Fertigungsverfahrens zugeführt wird.
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Ein
zur Realisierung einer Fertigungsstufe dienendes Fertigungsverfahren
ist ein Warmumformen des Werkstückes, zu dessen Zweck das
Werkstück einem ersten, zumindest partiellen Erwärmen unterzogen
wird. Nach dem Warmumformen wird wenigstens ein weiteres Fertigungsverfahren
am Werkstück durchgeführt.
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Außerdem
betrifft die vorliegende Erfindung eine Fertigungsstraße,
mit der bevorzugt das erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt werden kann.
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Insbesondere
Karosserieteile aus hoch- beziehungsweise höherfestem Material
werden üblicherweise auf Fertigungsstraßen, wie
zum Beispiel Serienpressenstraßen, gefertigt. In den Fertigungsstraßen
beziehungsweise Pressenstraßen sind als mehrere Bearbeitungsstationen üblicherweise
Umformeinrichtungen und Beschneideinrichtungen sowie gegebenenfalls
Einrichtungen zur Durchführung weiterer Verfahren, wie
zum Beispiel Formeigenschaftsändern oder Beschichten, angeordnet.
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Zur
Minderung der Festigkeit des zu bearbeitenden Werkstückes
wird dabei insbesondere zur Vorbereitung des Umformschrittes das
Werkstück erwärmt, so dass eine Warmumformung
stattfinden kann.
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Herkömmliche
Pressenstraßen sind zu diesem Zweck mit einem Durchlaufofen
verbunden, der in Materialflussrichtung der Pressenstraße
vorgeordnet ist. Das heißt, dass das zu bearbeitende Werkstück
zunächst im Durchlaufofen erhitzt wird und anschließend
einer ersten Warmumformungseinrichtung zugeführt wird,
um es im erwärmten Zustand zu bearbeiten. Je nach Abkühlung
des Werkstückes in der Warmumformungseinrichtung kann gegebenenfalls noch
Restwärme des Werkstückes ausgenutzt werden bei
nachfolgenden Beschneidprozessen. Nachteilig an dieser Verfahrensausgestaltung
ist, dass der Durchlaufofen einen relativ großen Platzbedarf
aufweist und lediglich vor der Pressenstraße angeordnet
Werden kann. Der Betrieb des Durchlaufofens ist aufgrund eines hohen
Energiebedarfes kostenintensiv. Eine gezielte Erwärmung
von lediglich Werkstückbereichen ist mit dem Durchlaufofen
nicht oder nur aufwendig realisierbar.
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Weiterhin
besteht bei hochfesten Blechwerkstoffen, die einen erhöhten
Wasserstoffgehalt aufweisen oder bei denen beim Durchlaufen des
Ofens Wasserstoff eindiffundiert und die mit hohen Zugspannungen
beaufschlagt werden, für das Werkstück die Gefahr
der wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion. Hierdurch kommt
es zu zeitverzögerter Rissbildung im gefertigten Werkstück.
Dies betrifft nicht die Situation, in der das Werkstück
gerade zuvor den Durchlaufofen verlassen hat oder Abkühlphasen
zwischen einzelnen Bearbeitungsstationen, wie zum Beispiel zwischen
einer Warmumformeinrichtung und einer Beschneideinrichtung, sondern die
Situation nach Verlassen der Pressenstraße oder Fertigungseinrichtung
oder nach dem Verbau des Blechteils in einem Zusammenbau (ZSB).
Hier werden durch nachfolgende Bearbeitungen, insbesondere durch
das Schweißen, lokal hohe Zugeigenspannungen eingebracht,
die in Zusammenhang mit der hohen Festigkeit und des erhöhten
Wasserstoffgehalts zu einer zeitverzögerter Rissbildung
führen können.
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Dem
Fachmann sind eine Reihe von Erwärmungseinrichtungen bekannt.
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Zur
Verhinderung einer zu starken beziehungsweise zu schnellen Abkühlung
offenbart die
DE 31
02 638 A1 eine Einrichtung, mittels derer Werkstücke
während ihres Transportes zwischen Bearbeitungsstationen
wieder erwärmt werden können beziehungsweise auf
einem vorherigen Temperaturniveau gehalten werden können.
Nachteilig an dieser Einrichtung sind die flurgebundene Transportweise sowie
der Aufwand zur Installation der Erwärmungseinrichtung
am Werkstück.
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In
der
DE 103 12 623
A1 ist eine Erwärmungsanlage offenbart, mittels
derer induktiv Flachgut während seiner Bewegung erwärmt
werden kann. In der
DE
103 12 623 A1 wird dem Fachmann allerdings keine Lehre
an die Hand gegeben, an welcher Stelle beziehungsweise zu welchem
Zeitpunkt eine derartige Erwärmungsanlage in einem Gesamt-Herstellungsverfahren
zu integrieren ist.
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Die
DE 2 423 267 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung von Kurbelwellen, bei dem zwischen Warmumformungsschritten
erneut eine Erwärmung vorgenommen wird. Das heißt,
dass das Werkstück zunächst in einem Werkzeug
unter Abgabe von Wärme umgeformt wird, anschließend
dieses Werkstück wieder auf ein höheres Temperaturniveau
gebracht wird und danach in diesem Werkzeug erneut warmumgeformt
beziehungsweise nachgeformt wird.
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Aus
der
DE 10 2005
055 494 B3 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles
aus einem metallischen Flachprodukt bekannt, mit dem das Flachprodukt
mittels konduktiver Erwärmung mindestens abschnittsweise
auf eine Umformtemperatur erwärmt wird, bevor es in ein
Umformwerkzeug eingelegt wird und pressumgeformt wird. In dem hier
beschriebenen Verfahren werden alle herkömmlichen Schritte
zur Realisierung einer Warmumformung beschrieben, allerdings ohne
eine Implementierung dieser einzelnen Verfahrensschritte in eine
Gesamt-Abfolge mehrerer Umform- und/oder Beschneidoperationen auf
einer Pressenstraße zu berücksichtigen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Einrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels
derer aus einem Werkstück ein Bauteil oder Endprodukt unter
Zuhilfenahme der Warmumformung und weiterer, sich anschließender
Fertigungsverfahren effizient und flexibel sowie hinsichtlich der
einzustellenden Werkstoffeigenschaften gezielt beeinflussbar hergestellt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 genannte Verfahren zur Herstellung
eines Bauteils gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses
Verfahrens schließen sich in den Unteransprüchen
2 bis 12 an. Außerdem wird die Aufgabe durch die erfindungsgemäße
Fertigungsstraße nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Fertigungsstraße schließen
sich in den Unteransprüchen 14 und 15 an.
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Erfindungsgemäß wird
ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines
Karosserieteils, zur Verfügung gestellt, bei dem ein Werkstück
zur Herstellung des Bauteils mehrere Fertigungsstufen durchläuft
und in jeder Fertigungsstufe ein Fertigungsverfahren durchgeführt
wird und das Werkstück zwecks Realisierung einer jeden
Fertigungsstufe jeweils einer Bearbeitungsstation zur Durchführung
des jeweiligen Fertigungsverfahrens zugeführt wird. Wenigstens
eines der Fertigungsverfahren ist dabei ein Warmumformen des Werkstückes,
zu dessen Zweck das Werkstück zuvor einem ersten, zumindest
partiellen Erwärmen unterzogen wird. Das Verfahren ist
derart ausgestaltet, dass nach dem Warmumformen wenigstens ein weiteres
Fertigungsverfahren am Werkstück durchgeführt
wird. Erfindungsgemäß wird das Werkstück
zur Verbesserung seines Formänderungsvermögens
und/oder Verringerung der Festigkeit zur Vorbereitung des weiteren
Fertigungsverfahrens mittels wenigstens einer im Fertigungsablauf
zwischen Bearbeitungsstationen angeordneten Erwärmungseinrichtung
zumindest partiell erneut erwärmt. Das Werkstück
wird zur Realisierung unterschiedlicher Fertigungsstufen jeweils einer
Bearbeitungsstation zugeführt, wobei üblicherweise
je Fertigungsverfahren eine Bearbeitungsstation angeordnet ist,
wobei allerdings auch bei gleichen Verfahren, die nur zeitlich versetzt
in der Gesamt-Herstellung durchgeführt werden sollen, auch die
gleiche Station oder eine gleichartige, zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Station verwendet werden kann. Bis zur
Beendigung der Gesamt-Herstellung erfolgt eine Zuführung
des Werkstückes nach jedem Fertigungsverfahren auf einer
Bearbeitungsstation zur jeweils nächsten Bearbeitungsstation.
Das erste Erwärmen findet vor dem ersten Warmumformen statt,
um dem Werkstück die benötigte Wärme
zur Minderung seiner Festigkeit zukommen zu lassen. Dass die Erwärmungseinrichtung
zwischen Bearbeitungsstationen angeordnet ist, ist nicht unbedingt
räumlich oder linear zu sehen, sondern bezogen auf den
Ablauf des Gesamt-Verfahrens, nämlich zwischen der Realisierung
von zwei Fertigungsverfahren zur Herstellung bestimmter Fertigungsstufen
auf zwei Bearbeitungsstationen. Das heißt, dass die Angabe,
dass die Erwärmungseinrichtung zwischen Bearbeitungsstationen
angeordnet ist, darauf bezogen ist, dass sie im Materialfluss zwischen
jeweils zwei Bearbeitungsstationen angeordnet ist.
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Wie
bereits erwähnt, muss zur Durchführung des Warmumformens
das Werkstück einem ersten Erwärmen unterzogen
werden. Dabei soll die erfindungsgemäße Lehre
nicht dahingehend eingeschränkt werden, dass zuvor, innerhalb
der Gesamt-Fertigung, nicht gegebenenfalls bereits eine Erwärmung
außerhalb der Fertigungsstraße zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt
wurde.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
insbesondere darin, dass zur Erleichterung der der Warmumformung
nachfolgenden Bearbeitungsverfahren nach bereits erfolgter Abkühlung
des Werkstückes während der Warmumformung erneut eine
Erwärmung des Werkstückes stattfindet. Dadurch
wird insbesondere die bei herkömmlichen Verfahren auftretende
wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion gemindert beziehungsweise
sogar eliminiert, da das Einbringen von hohen Zugeigenspannungen,
wie beispielsweise durch mechanisches Beschneiden oder Nachformen
im kalten Bauteilzustand, reduziert oder gar vermieden wird. Statt eines
herkömmlichen Durchlaufofens werden eine oder mehrere Erwärmungseinrichtungen
in die Fertigungsstraße vor jeweiligen Bearbeitungsstationen, wie
zum Beispiel Umformpressen oder Beschneideinrichtungen, integriert.
Die zur Durchführung der nachfolgenden Verfahren benötigte
Wärme kann mittels der Erwärmungseinrichtung in
genau der Menge beziehungsweise der Höhe zugeführt
werden, wie sie zur Durchführung der Verfahren benötigt
wird. Insbesondere lassen sich gezielt bestimmte Werkstückregionen
erwärmen, um sie anschließend den Bearbeitungen
zu unterziehen. Dies bewirkt einen geringeren Energieeinsatz und
geringere thermische Belastung der Anlagen zur Verarbeitung der
erwärmten Werkstücke sowie eine optimale Temperierung des
Werkstücks bei einer jeweiligen Bearbeitung.
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Neben
der Energieeffizienz ergibt sich ein weiterer Vorteil der gezielten
Beeinflussbarkeit von Werkstück- beziehungsweise Bauteileigenschaften in
bestimmten Bauteilregionen. Außerdem ist durch den Einsatz
der erfindungsgemäßen Erwärmungseinrichtung
ein geringerer Fertigungszeitaufwand, insbesondere bei nur regionaler
Erwärmung der Werkstücke, zu verzeichnen. Im Vergleich
mit einem Durchlaufofen lassen sich während der Gesamt-Herstellung
vor und/oder nach Warmumformungseinrichtungen und/oder Beschneideinrichtungen
in einer Fertigungsstraße höhere Temperaturen
durch die Erwärmungseinrichtungen einstellen, als dies
mit einer anfänglichen Erwärmung mittels eines
Durchlaufofens möglich wäre.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere bei
der Herstellung von werkzeugfallenden Bauteilen verwendet werden,
das heißt bei einer Produktion der Bauteile auf Fertigungsstraßen,
in denen das Bauteil mehrere Fertigungsstufen durchläuft und
vollmechanisiert von einer Bearbeitungsstation zur nächsten
Bearbeitungsstation transportiert wird und am Ende der Fertigungsstraße
in einem endproduktnahen Zustand entnommen werden kann. Durch den
Austausch des Durchlaufofens mit den in der Fertigungsstraße
angeordneten Erwärmungseinrichtungen muss letztendlich
weniger Wärme in das Werkstück eingebracht werden
als bei einem Durchlaufofen, der das Werkstück am Anfang
der Fertigungsstraße bereits auf ein Temperaturniveau bringen
muss, welches es ermöglicht, das Werkstück selbst
nach Durchführung mehrerer Fertigungsverfahren noch in
einem erwärmten Zustand zu verarbeiten. Durch den Einsatz
mehrerer, im Vergleich zum Durchlaufofen kleinerer Erwärmungseinrichtungen,
lässt sich eine Fertigungsstraße zur Durchführung
des Verfahrens kürzer sowie variabler aufbauen und es lassen
sich herkömmliche Pressenstraßen zu Einrichtungen
nachrüsten, mittels derer das erfindungsgemäße
Verfahren ausführbar ist.
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Die
Warmumformung wird in einem Presswerkzeug realisiert. Die Erwärmung
des Werkstückes vor dem Einlegen in das Presswerkzeug sollte auf über
1023 K, vorzugsweise auf 1173 K bis 1223 K bei zu härtenden
Bauteilen und auf lediglich auf 823 K bis 873 K bei Teilen, die
nicht gehärtet werden sollen und zur Zunderbildung neigen,
wie zum Beispiel Schwarzblech oder verzinktes Blech, erfolgen. Bei
den nicht zu härtenden Bauteilen erfolgt keine wesentliche
Abkühlung des Werkstücks, das heißt, dass
das Werkstück im Wesentlichen mit der Temperatur das Werkzeug
verlässt, mit der es in das Werkzeug zuvor eingelegt wurde.
Bei zu härtenden Werkstücken soll vorteilhafterweise
eine Abkühlung im Warmumformwerkzeug auf eine Temperatur,
die weniger als 473 K beträgt, erfolgen. Bei nicht zu härtenden
Teilen, die auf lediglich 823 K bis 873 K zuvor erwärmt
wurden, findet keine wesentliche Abkühlung statt, das heißt,
dass das Werkstück das erste Presswerkzeug mit im Wesentlichen
derselben Temperatur verlässt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft dadurch
ausgestaltet sein, dass das erneute Erwärmen des Werkstücks
während des Transportes erfolgt. Das heißt, dass
während der Bewegung des Werkstückes von einer
Bearbeitungsstation zur nächsten das Werkstück
erwärmt wird. Es wird somit die Transferzeit des Werkstückes
für die Erwärmung genutzt, wodurch sich die gesamte
Fertigungszeit reduziert.
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In
einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das
erneute Erwärmen des Werkstücks während
dessen Ablage zwischen zwei Bearbeitungsstationen erfolgt. Das heißt,
dass zwischen zwei Bearbeitungsstationen eine Ablageeinrichtung
vorhanden sein kann, auf der das Werkstück in einer Warteposition
vor dem nächsten Fertigungsverfahren abgelegt wird. Auf
oder in dieser Ablageeinrichtung lässt sich das Werkstück
mittels einer Erwärmungseinrichtung erneut erwärmen.
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Das
heißt, dass eine erneute Erwärmung nach dem Warmumformen
gemäß des erfindungsgemäßen
Verfahrens nicht während einer Bearbeitung, wie zum Beispiel
Umformen oder Beschneiden, des Werkstückes erfolgt, sondern
lediglich zwischen der Realisierung der Fertigungsverfahren und
somit zwischen den dazugehörigen Bearbeitungsstationen, wie
zum Beispiel auf einer Ablageeinrichtung oder beim Transport des
Werkstückes.
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Durch
die Anordnung der erfindungsgemäßen Erwärmungseinrichtungen
lässt sich somit dem Werkstück die während
seiner Bearbeitung in Bearbeitungsstationen, wie zum Beispiel Pressen
oder Beschneideinrichtungen, abgegebene Wärme wieder zuführen.
Darüber hinaus lässt sich dem Werkstück
weitere Wärme zuführen, um anschließende Bearbeitungsverfahren
zu ermöglichen beziehungsweise zu erleichtern.
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Das
zu verarbeitende Werkstück ist dabei vorzugsweise ein Metallwerkstück,
insbesondere ein metallisches Flachprodukt, wie zum Beispiel ein Blech,
welches zu einem Karosserieteil zu verarbeiten ist.
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In
einer wesentlichen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, dass das erwähnte Warmumformen
ein erstes Warmumformen ist und das weitere, nach dem ersten Warmumformen
durchgeführte Fertigungsverfahren ein zweites Warmumformen
ist. Das heißt, dass am Werkstück ein erstes Erwärmen
zur Vorbereitung des ersten Warmumformens durchgeführt
wird und danach zur Vorbereitung des zweiten Warmumformens eine
zweite Erwärmung durchgeführt wird. Es können
dabei mit dem zweiten Warmumformen andere als im ersten Warmumformen
umgeformte Teilbereiche umgeformt werden. Alternativ dazu können
aber auch die gleichen Teilbereiche oder diese Teilbereiche überlappende
Bereiche, das heißt zuvor umgeformte Bereiche und gleichzeitig
daran angrenzende, noch nicht umgeformte Bereiche, im zweiten Warmumformen
umgeformt werden. Vorzugsweise sollten aber im zweiten Warmumformen
Bereiche umgeformt werden, die im ersten Warmumformen noch nicht
umgeformt wurden, oder es sollte ein Nachformen von zum Beispiel
Radien an Bereichen erfolgen, die bereits im ersten Warmumformen
geformt wurden. Bei der erneuten Warmumformung nach der ersten Warmumformung
sollte das Werkstück vor dem Einlegen in die Umformpresse
erneut wieder über 1023 K, bevorzugt auf 1173 K bis 1223
K, erwärmt werden. Dabei ist ebenfalls, wie bei der ersten Warmumformung
angegeben, das Werkstück bei einer beabsichtigten Härtung
auf 1173 K bis 1223 K zu erwärmen und bei nicht beabsichtigter
Härtung auf 823 K bis 873 k zu erwärmen. Insbesondere
betrifft dies Werkstücke beziehungsweise Werkstoffe, die zur
Zunderbildung neigen, wie zum Beispiel Schwarzbleche oder verzinkte
Bleche. Auch im zweiten Warmumformen ist vorgesehen, dass bei gewünschter
Härtung eine Abkühlung des Werkstückes auf
Martensitfinishtemperatur von < 473
K erfolgen muss. Nicht zu härtende Werkstoffe können
auch die zweite Umformpresse im Wesentlichen mit der Temperatur
verfassen, mit der sie in die Umformpresse eingelegt wurde.
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Die
Umformwerkzeuge können dabei zur Realisierung der Abkühlung
des Werkstückes auf unter 473 K eine Temperatur von 333
K bis 393 K, vorzugsweise bis zu 373 K, aufweisen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann auch dadurch ausgestaltet
sein, dass das nach dem Warmumformen vorgesehene Fertigungsverfahren
ein Trennverfahren, insbesondere ein mechanisches Beschneiden, ist.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass durch die Erwärmung
des Werkstückes vor der Beschneidoperation nur noch verringerte
Schnittkräfte benötigt werden. Dies führt
zu einem verringerten Energiebedarf zum Betreiben der Anlage zur
Realisierung des Beschneidens, zu einer Verringerung des Verzugs
des Werkstückes beim Beschnitt sowie zur Verringerung des
Verschleißes des Schneidelementes aufgrund der geringeren
benötigten Schneidkräfte bei höheren
Temperaturen, insbesondere wenn durch den zuvor erfolgten Warmumformungsprozess bereits
eine Härtung des Werkstückes vollzogen wurde.
Neben dem erwähnten Trennverfahren beziehungsweise Beschneiden
lassen sich hinzukommend oder alternativ auch andere Verfahren,
wie zum Beispiel Beschichtungs- oder Stoffeigenschaftsänderungsverfahren,
die begünstigt unter erhöhter Werkstücktemperatur
ablaufen, durchführen. In besonderer Ausgestaltung des
Verfahrens ist vorgesehen, dass nach dem Warmumformen nur noch Beschneidoperationen
in der Pressenstraße durchgeführt werden, so dass
die erneute Erwärmung im Wesentlichen ausschließlich
zur Erleichterung der Schneidvorgänge und Verringerung
des Verzuges des Werkstückes und des Werkzeugverschleißes dient.
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Bei
der Realisierung eines Beschneidvorganges nach dem Warmumformen
soll das Werkstück nach vorheriger Wärmeabgabe
an das Warmumformwerkzeug wieder auf eine Temperatur von vorzugsweise
823 K bis 873 K erwärmt werden. Bei Werkstücken,
die abgekühlt werden und mit einer Temperatur von etwa
293 K bis 473 K vorliegen, wird ebenfalls eine Erwärmung
auf 823 K bis 873 K vorgenommen, um eine thermische Belastung der
Schneidelemente gering zu halten. Das heißt, dass der Beschnitt
des Werkstückes bei vorzugsweise 823 K bis 873 K durchgeführt
werden sollte. in Technologien, in denen bei der Gesamt-Herstellung
des Bauteiles eine oder mehrere weitere Beschneidoperationen am Werkstück
durchgeführt werden sollen, kann vorgesehen sein, dass
sich an das genannte erste Beschneiden ein zweites Beschneiden anschließt
oder sich an das erste Beschneiden ein weiterer Warmumformungsprozess
und danach ein zweites Beschneiden anschließt. Das heißt,
dass das erfindungsgemäße Verfahren darauf gerichtet
ist, vor der Bearbeitung des Werkstückes, wie zum Beispiel
Umformen oder Beschneiden, das Werkstück auf eine für
den jeweiligen Bearbeitungsvorgang günstige Temperatur zu
temperieren, wobei diese Temperierung vorzugsweise eine Erwärmung
und gegebenenfalls auch eine Abkühlung sein kann. Das heißt,
dass das erfindungsgemäße Verfahren auch dann
ausgeführt wird, wenn erst nach der Durchführung
des Trennverfahrens ein zweites Warmumformen des Werkstückes erfolgt.
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Außerdem
kann das Verfahren dadurch ausgestaltet sein, dass bei Durchführung
eines Trennverfahrens nach dem ersten Warmumformen und vor dem Trennen
eine Temperierung, insbesondere eine Abkühlung, des Werkstückes
erfolgt.
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Auch
eine als Abkühlung vorgenommene Temperierung findet außerhalb
der Bearbeitungsstationen statt. Eine gewünschte Abkühlung
bewirkt eine Temperaturänderung, die über die
durch die Umgebungsluft bewirkbare Temperatursenkung hinausgeht.
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Das
heißt, dass vor dem Trennen beziehungsweise Beschneiden
das Werkstück entweder zur Verringerung der Festigkeit
erwärmt wird oder auch zwecks Verringerung des thermischen
Verschleißes der nachfolgend benutzten Bearbeitungsstationen
abgekühlt wird.
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Zur
praktischen Realisierung der Erwärmung des Werkstückes
kann vorgesehen sein, dass dieses mittels Stromfluss durch das Werkstück
erwärmt wird. Das heißt, dass das Prinzip der
Widerstandserwärmung zur Temperaturänderung des
Werkstückes ausgenutzt wird. In spezieller Weise kann dies
dadurch erfolgen, dass zumindest eine erneute Erwärmung
des Werkstückes konduktiv erfolgt.
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Vorteilhafterweise
wird die für die konduktive Erwärmung benötigte
Stromzufuhr in das Werkstück durch Greifer realisiert,
die zum Transport des Werkstückes dienen. Das heißt,
dass die Greifer, die an das Werkstück angreifen, als Hilfsmittel
für den Transport des Werkstückes von einer Bearbeitungsstation
zur anderen dienen und vorteilhafterweise geeignet sind, das Werkstück
aus der einen Bearbeitungsstation zu entnehmen und in die nächste
einzulegen. Vorteilhafterweise sind diese Greifer an Stromquellen
angeschlossen, so dass sie geeignet sind, elektrischen Strom auf
das Werkstück zu geben, so dass es bei ausreichenden Strom-
und Spannungswerten und Widerstandswerten des Werkstückes
entsprechend der Kontaktierungspositionen in bestimmten Bereichen
des Werkstückes zur konduktiven Erwärmung kommt.
Neben der Platz- beziehungsweise Volumenersparnis liegt der Vorteil
dieser Verfahrensausgestaltung insbesondere darin, dass während
der Fertigung auf einer Fertigungsstrecke die Fertigungszeit durch
die Erwärmung des Werkstückes bei dessen Transport
reduziert werden kann. Außerdem ergibt sich durch die zielgerichtete
Kontaktierung des Werkstückes mit den Greifern die Möglichkeit
einer zielgerichteten regionalen Erwärmung. Dadurch lassen
sich nach Abkühlung der erwärmten Bereiche gezielt
Verfestigungszonen herstellen. Vorteilhafterweise sind dabei Stromkontakte zur
Einleitung des elektrischen Stroms direkt am Werkstück
angeordnet, sodass nicht zu hohe Anforderungen an die Positionierung
von großflächigen stromführenden Greiferelementen
am Werkstück zu stellen sind. Die Stromkontakte sind also
nicht Elemente der Greif- oder Fördereinrichtungen, sondern bestimmen
durch ihre Anordnung am Werkstück die zu erwärmenden
Zonen.
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In
einer Alternative zur Erwärmung des Werkstückes
kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine erneute Erwärmung
des induktiv erfolgt. Diese induktive Erwärmung lässt
sich mittels Induktionseinrichtungen durchführen, welche
vorteilhafterweise an die Form des Werkstückes zwischen
den jeweiligen Fertigungsstufen angepasst ist. Durch die Induktionseinrichtungen
werden Wirbelströme im Werkstück erzeugt, die
zur Erwärmung des Werkstückes führen.
Der Vorteil dieser Verfahrensausgestaltung liegt in der formunabhängigen
Erwärmung des Werkstückes und einem geringen Platz-
und Volumenbedarf für die Erwärmungseinrichtung.
Dadurch ergeben sich bessere Integrationsmöglichkeiten
in bestehende Pressenstraßen. Außerdem lässt
sich durch die Induktionseinrichtung eine wesentlich schnellere
Erwärmung als mit herkömmlichen Einrichtungen
durchführen. Die Erfindung ist dabei allerdings nicht nur
auf die Realisierung einer induktiven oder konduktiven Erwärmung
eingeschränkt, sondern es kann vorgesehen sein, dass auch
Kombinationen von induktiver und konduktiver Erwärmung
in einem Gesamt-Fertigungsverfahren realisiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere
dadurch aus, dass auch eine erneute Erwärmung des Werkstückes
partiell erfolgen kann. Neben der erneuten Erwärmung des
Werkstückes kann auch die erste Erwärmung des
Werkstückes lediglich partiell erfolgen. Damit lassen sich
Bereiche des Werkstückes erwärmen, die im folgenden Warmumformen
verformt werden sollen. Insbesondere bei einem Verhältnis
von relativ kleinen umzuformenden Flächen in Bezug zur
Gesamtfläche des Werkstückes ist diese Verfahrensalternative
sehr effektiv, da zur Durchführung lediglich ein geringer
Energieeinsatz notwendig ist. Außerdem wird dadurch vermieden,
dass aufgrund hoher eingebrachter Wärmemengen, insbesondere
nach bereits erfolgten Verformungen, ungewollte Spannungen oder
Verzug im Bauteil auftreten können. Nach partieller Erwärmung kann
das Werkstück auch derart verformt werden, dass ein erwärmter
und gleichzeitig ein nicht erwärmter Bereich verformt wird,
wobei dadurch unterschiedliche Festigkeiten in aneinander grenzenden Zonen
durch Kaltverfestigung realisiert werden können und gleichzeitig
durch die Erwärmung des erwärmten Bereiches in
diesen ein erhöhtes Formänderungsvermögen
realisierbar ist.
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Die
Aufgabe wird außerdem durch eine Fertigungsstraße
zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Karosserieteiles,
gelöst, welche insbesondere zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Diese
Fertigungsstraße weist mehrere seriell angeordnete Bearbeitungsstationen
zur Durchführung jeweils eines Fertigungsverfahrens zur
Realisierung unterschiedlicher Fertigungsstufen an einem Werkstück
bei der Herstellung des Bauteils auf, wobei die Fertigungsstraße
wenigstens eine erste Erwärmungseinrichtung und als wenigstens
eine danach angeordnete Bearbeitungsstation eine Warmumformungseinrichtung
umfasst. Erfindungsgemäß weist die Fertigungsstraße
nach dieser Warmumformungseinrichtung und vor einer weiteren Bearbeitungsstation
eine weitere Erwärmungseinrichtung auf. Die serielle Anordnung
der Bearbeitungsstationen erfolgt in Materialflussrichtung, das heißt,
dass die Bearbeitungsstationen im Wesentlichen entsprechend dem
Materialfluss angeordnet sind. Die Erwärmungseinrichtungen
sind wie die Bearbeitungsstationen ebenfalls seriell angeordnet.
Die erfindungsgemäße Anordnung einer weiteren
Erwärmungseinrichtung dient dazu, nach dem Warmumformen
das Werkstück zur Verbesserung seines Formänderungsvermögens
und/oder Verringerung seiner Festigkeit zur Vorbereitung des weiteren
Fertigungsverfahrens zumindest partiell neu zu erwärmen.
Bei Ausführung von Umform- und gegebenenfalls Beschneidoperationen
ist die erfindungsgemäße Fertigungsstraße
vorteilhafterweise als eine Pressenstraße mit darin angeordneten
Pressen zur Durchführung der jeweiligen Fertigungsverfahren ausgestattet.
Insbesondere kann diese Pressenstraße zu einer werkzeugfallenden
Fertigung der Bauteile dienen, das heißt, dass innerhalb
der Pressenstraße ein automatisierter Transport der Werkstücke
von einer Bearbeitungsstation zur nächsten erfolgt.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Fertigungsstraße
liegt aufgrund der Anordnung gegebenenfalls mehrerer Erwärmungseinrichtungen
darin, dass durch die Erwärmung in den Erwärmungseinrichtungen
und durch die damit reduzierte oder vermiedene Einbringung von Zugeigenspannungen
in das Werkstück, die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion
gemindert beziehungsweise vollständig eliminiert wird.
Statt eines Durchlaufofens vor der Pressenstraße werden
mehrere, hinsichtlich des Energieverbrauchs effizienter arbeitende
Erwärmungseinrichtungen vor den jeweiligen Bearbeitungsstationen
in der Pressenstraße, wie zum Beispiel Umformpressen oder
Beschneideinrichtungen, eingesetzt. Mittels der Erwärmungseinrichtungen lässt
sich die gewünschte Wärmemenge örtlich
und zeitlich exakter in das Werkstück einbringen, als es mit
einem Durchlaufofen möglich wäre. Dadurch ergibt
sich neben dem geringeren Energieverbrauch auch eine geringere thermische
Belastung der Anlage und der Betriebsmittel sowie die Möglichkeit
einer optimalen Temperatursteuerung des Werkstückes vor
einer jeweiligen Bearbeitung.
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Vorteilhafterweise
sind die verwendeten Erwärmungseinrichtungen derart ausgestaltet,
dass sie an mehreren Stellen zwischen jeweils unterschiedlichen
Bearbeitungsstationen einsetzbar sind. Dadurch lässt sich
ein flexibler Aufbau beziehungsweise Umbau von Pressenstraßen
sowie auch eine Nachrüstung von bestehenden, herkömmlichen
Pressenstraßen realisieren. Es bietet sich an, dass wenigstens
eine der verwendeten Erwärmungseinrichtungen eine Durchlaufanlage
mit Querfeldinduktor oder Längsfeldinduktor zur induktiven
und weitestgehend von der Form des Werkstücks unabhängigen
Erwärmung ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen dabei:
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1 eine
erfindungsgemäße Fertigungsstraße zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit konduktiver Erwärmung und
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2 eine
erfindungsgemäße Fertigungsstraße zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit induktiver Erwärmung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur
Verarbeitung von hoch- und höherfesten Stahlwerkstoffen
geeignet. Vorzugsweise kann ein 22MnB5 verarbeitet werden. Dabei
sollten bevorzugt die folgenden Legierungsbestandteile mit den dazu angegebenen
Mengenprozenten Verwendung finden:
C: 0,20 bis 0,25%,
Si:
0,15 bis 0,40%,
Mn: 1,10 bis 1,40%,
Cr: ≤ 0,35%
Mo: ≤ 0,35%
P: ≤ 0,025%
S: ≤ 0,005%
Ti:
0,020 bis 0,050%,
Al: 0,020 bis 0,060%,
B: 0,002 bis 0,005%.
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Das
zu verarbeitende Werkstück sollte vorzugsweise eine Blechdicke
zwischen 1 und 2 mm aufweisen, wobei allerdings auch die Verarbeitung von
dünneren oder dickeren Werkstücken nicht ausgeschlossen
werden soll. Diese Bleche können mit einer AlSi-Schicht
gemäß der
EP
0 971 044 B1 beschichtet sein. Neben 22MnB5 lassen sich
auch Halbzeuge aus härtbarem und warmumformbarem Stahlblech
wie zum Beispiel 25CrMo4, 34CrMo4 oder 42CrMo4 sowie 25CrMoS4, 34CrMoS4
oder 42CrMoS4, wie sie in der
DE 10 2006 019 567 B3 offenbart sind, einsetzen.
Bei Verfahrensablauf unter Ausschluss einer Härtung des
Werkstückes beziehungsweise des eingesetzten Werkstoffes
können außerdem alle hochfesten Blechwerkstoffe
mit Zugfestigkeiten über 600 MPa eingesetzt werden, wie zum
Beispiel CPW-800, DP1000, MS-W1200, HC400LA und dergleichen.
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Die
in den 1 und 2 dargestellten Bearbeitungsstationen
sind dabei nicht auf die dargestellte Variante festgelegt, sondern
in Abhängigkeit insbesondere von der Nachformaufteilung
kann die Reihenfolge der Bearbeitungsstationen gegebenenfalls anders
sein, so dass zum Beispiel zuerst eine Beschneideinrichtung vor
einer Umformeinrichtung angeordnet ist.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Fertigungsstraße
schematisch dargestellt, in der das erfindungsgemäße
Verfahren realisiert werden kann. Zu diesem Zweck sind vier Erwärmungseinrichtungen 40 bis 43 jeweils
vor Bearbeitungsstationen, die als erste Warmumformungseinrichtung 30,
erste Beschneideinrichtung 50, zweite Warmumformungseinrichtung 31 und
zweite Beschneideinrichtung 51 ausgestaltet sind, angeordnet.
Die Erwärmungseinrichtungen 40 bis 43 sind
dazu geeignet, dass Werkstück 10 konduktiv zu
erwärmen. Zu diesem Zweck weisen die Erwärmungseinrichtungen 40 bis 43 Greifer 70 auf,
die an das Werkstück 10 mechanisch kontaktierend
anlegbar sind. Mit an den Greifern 70 angeschlossenen Stromleitungen 71 lässt
sich das Werkstück mit Strom beaufschlagen und somit mittels
Widerstandserwärmung auf ein erhöhtes Temperaturniveau
bringen. Nicht dargestellt, aber dennoch von der Erfindung umfasst,
ist das erfinderische Merkmal, dass die Greifer 70 ebenfalls
zur Bewegung beziehungsweise zum Transport des Werkstückes 10 ausgestaltet
sind. Das heißt, dass die Greifer 70 eine Doppelfunktion
ausführen, nämlich einerseits die Bewegungsrealisierung
des Werkstückes von einer Bearbeitungsstation zur nächsten
sowie gleichzeitig die elektrische Kontaktierung des Werkstückes
zwecks Erwärmung.
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Das
Werkstück 10 wird entlang der Materialflussrichtung 20 durch
die dargestellte Fertigungsstraße bewegt. Zunächst
wird das Werkstück 10 zum Beispiel von einem Stapel
oder von einer Palette mittels der Greifer 70 aufgenommen
und dabei gleichzeitig auf eine Temperatur von über 1023
K, vorzugsweise von 1173 K bis 1223 K, erwärmt. Die Erfindung ist
dabei nicht darauf eingeschränkt, dass die Erwärmung
während des Transportes stattfindet, sondern es kann ebenso
vorgesehen sein, dass die Greifer oder eine andere Erwärmungseinrichtung
das Werkstück in einer Ruheposition erwärmt.
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Das
erwärmte Werkstück 10 wird durch die Greifer 70 anschließend
in die erste Bearbeitungsstation in Form einer ersten Warmumformungseinrichtung 30,
hier dargestellt als Umformpresse, positioniert eingelegt. Die erste
Warmumformungseinrichtung 30 umfasst – wie dargestellt – einen
Oberstempel 32 und einen Unterstempel 33, die
bei Relativbewegung zueinander das Werkstück 10 im
warmen Zustand umformen. Bei diesem Prozess wird vorteilhafterweise
die erste Warmumformungseinrichtung 30 gekühlt,
um zum Beispiel bei einer Verarbeitung des Werkstoffes 22MnB5 bei
Abkühlung des Werkstückes auf eine Martensitfinishtemperatur
von unter 473 K eine Härtung des Werkstückes zu
erzielen.
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In
einer Verfahrensalternative ist es auch möglich, den Warmumformungsprozess
ohne Abkühlung durchzuführen, wenn eine Härtung
beziehungsweise eine Martensitbildung vermieden werden soll.
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Anschließend
wird das Werkstück 10 wiederum mit Greifern 70 aus
der ersten Warmumformungseinrichtung 30 entnommen. Im Fall
einer in der ersten Warmumformungseinrichtung 30 durchgeführten
Abkühlung wird das Werkstück während
der Entnahme und dem Transport sowie gegebenenfalls dem Einlegeprozess
in die danach angeordnete erste Beschneideinrichtung 50 erneut
erwärmt, und zwar auf eine Temperatur von 823 K bis 873
K. Falls keine Abkühlung in der ersten Warmumformungseinrichtung 30 stattfand,
wird das Werkstück 10 entgegen der Darstellung
in 1 zunächst auf einer Ablageeinrichtung
abgelegt und auf eine Temperatur vorzugsweise unter 873 K abgekühlt,
um die Schneiden 52 der danach angeordneten ersten Beschneideinrichtung 50 vor
einer thermischen Überbelastung zu bewahren. Nach Abkühlung
des Werkstückes 10 auf den gewünschten
Temperaturwert wird das Werkstück 10 in die erste
Beschneideinrichtung 50 eingelegt. Mittels Relativbewegung
der Schneiden 52 erfolgt der Beschnitt des temperierten
Werkstückes. Das heißt, dass während
des Beschneidvorganges in der ersten Beschneideinrichtung 50 das
Werkstück eine vergleichsweise hohe Temperatur aufweist,
die eine Verringerung der Festigkeit des Werkstückes gegen
das Eindringen der Schneiden 52 bewirkt und somit zu einem
geringeren Verschleiß der eingesetzten Schneiden 52 sowie
Energieverbrauch während der Beschneidoperation führt.
Außerdem werden durch das Beschneiden bei höheren
Temperaturen weniger Eigenspannungen in das Werkstück eingebracht.
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Anschließend
wird das Werkstück 10 wieder mit Greifern 70 aufgenommen
und während des Transportes von der ersten Beschneideinrichtung 50 zur
zweiten Warmumformungseinrichtung 31 oder auch während
der Ablage des Werkstückes 10 zwischen diesen
beiden Bearbeitungsstationen erneut erwärmt. Die Erwärmung
kann vorteilhafterweise wie in 1 dargestellt
auch in diesem Verfahrensstadium konduktiv erfolgen. Die Erwärmung
sollte vorzugsweise auf über 1023 K, vorteilhafterweise
auf einen Temperaturbereich von 1173 K bis 1223 K, durchgeführt
werden. Wie auch bei der zuerst durchgeführten Erwärmung
lassen sich durch eine gezielte Anordnung der Greifer 70 am
Werkstück 10 auch nur ein oder mehrere Teilbereiche
des Werkstückes 10 auf die gewünschte
Temperatur erwärmen. Nach erfolgter Erwärmung
des Werkstückes 10 wird dieses in die zweite Warmumformungseinrichtung 31 eingelegt,
die zum Beispiel derart ausgestaltet sein kann, dass mit ihr ein
Nachformungsprozess, beispielsweise von Radien oder Flanschen, durchgeführt
werden kann. Es bietet sich dabei an, dass insbesondere bei nur
bereichsweise Erwärmung des Werkstückes auch nur
eine bereichsweise Umformung, zum Beispiel in der zweiten Warmumformungseinrichtung 31, stattfindet.
Dies trifft insbesondere auf den Fall zu, in dem lediglich Radien
nachgeformt werden sollen, da in diesem Fall auch nur die Radienbereiche
zu erwärmen und zu verformen sind. In diesem Fall ist die zweite
Warmumformungseinrichtung 31 eine Nachformpresse.
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Nach
der Nachformung in der zweiten Warmumformungseinrichtung 31 wird
das Werkstück 10 wiederum von den Greifern 70 gegriffen
und transportiert. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann, wie bereits erwähnt, auch dadurch ausgestaltet sein, dass
die konduktive Erwärmung des Werkstückes 10 durch
die Greifer 70 nicht nur während des Transportes
des Werkstückes 10 erfolgt, sondern auch in einer
Ruhelage des Werkstückes, zum Beispiel auf einer Ablageeinrichtung 60.
Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn fertigungszeitbedingt
Stausituationen im Materialfluss auftreten können.
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Auch
bei der erneuten Temperierung wird das Werkstück, wenn
zuvor eine Abkühlung stattfand, auf ein gewünschtes
Temperaturniveau erwärmt oder, falls in der zweiten Warmumformungseinrichtung 31 keine
Abkühlung stattfand, auf eine Temperatur von vorzugsweise
unter 873 K abgekühlt. Anschließend wird das Werkstück
mittels der Greifer 70 im die zweite Beschneideinrichtung 51,
die zum Beispiel eine Fertigbeschneidpresse sein kann, transportiert
und positioniert eingelegt. In dieser zweiten Beschneideinrichtung 51 wird
wiederum das Werkstück 10 beschnitten, vorzugsweise
bereits auf das Endmaß. Die fertig beschnittenen, werkzeugfallenden
Werkstücke 10 werden anschließend vorzugsweise
mit Greifern 70 aus der zweiten Beschneideinrichtung 51 herausgenommen
und auf eine Ablageeinrichtung 60 abgelegt beziehungsweise
abgestapelt. Das Abstapeln erfolgt vorzugsweise in wärmeisolierten
Behältern, um ein langsames Abkühlen der Bauteile
zu gewährleisten. Neben der Reduzierung von Eigenspannungen
im hergestellten Bauteil wird auch die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion
im Bauteil vermieden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die in 1 dargestellten
Schritte beziehungsweise Anordnungen von Bearbeitungsstationen festgelegt,
sondern es können im Bereich der Erfindung auch andere
Fertigungsverfahren nach der erneuten Erwärmung nach der
ersten Warmumformungseinrichtung 30 stattfinden. Außerdem
kann das Verfahren auch derart ausgestaltet sein, dass weitere Umformverfahren
erst nach erfolgten Beschneidoperationen durchgeführt werden.
Die Anordnung der einzelnen Bearbeitungsstationen zur Durchführung
jeweils eines Fertigungsverfahrens hängt im Wesentlichen
von der Beschnitt- und Nachformaufteilung des jeweils herzustellenden
Bauteiles ab.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßes Fertigungsverfahren dargestellt,
bei dem das induktive Erwärmungsprinzip statt des in 1 dargestellten konduktiven
Erwärmungsprinzips angewendet wird. Zu diesem Zweck ist
eine Induktionseinrichtung 80, die eine Durchlaufanlage
mit Querfeldinduktor 81 umfasst, vor der ersten Warmumformungseinrichtung 30 angeordnet.
Statt des dargestellten Querfeldinduktors 81 oder auch
in Ergänzung dazu lässt sich auch ein Längsfeldinduktor
(nicht dargestellt) einsetzen. Mittels der Induktionseinrichtung 80 lässt
sich das Werkstück 10 zwischen den einzelnen Bearbeitungsstationen,
nämlich der ersten Warmumformungseinrichtung 30,
der ersten Beschneideinrichtung 50, der zweiten-Warmumformungseinrichtung 31 und
der zweiten Beschneideinrichtung 51, durchführen.
Zwischen diesen genannten Bearbeitungsstationen ist die zweite,
die dritte und die vierte Erwärmungseinrichtung 41 bis 43 angeordnet.
Mittels der Erwärmungseinrichtungen 40 bis 43 lässt
sich das Werkstück sowohl bei dessen Transport in Richtung
des Materialflusses 20 als auch in dessen Ruheposition,
zum Beispiel auf einer Ablageeinrichtung 60, erwärmen.
Der Vorteil der Erwärmung mittels Induktionseinrichtung 80 besteht
im Wesentlichen darin, dass das Werkstück ohne Anpassung
von mechanischen Kontaktelementen formunabhängiger erwärmt
werden kann. Dies ermöglicht eine flexiblere Anordnung
von Induktionseinrichtungen 80 in jeweiligen Bearbeitungsstadien.
Außerdem lassen sich einzelne Erwärmungseinrichtungen
beziehungsweise Induktionseinrichtungen 80 je nach gewünschtem Verfahrensablauf
flexibel mit anderen Erwärmungseinrichtungen austauschen
beziehungsweise bestehende Pressenstraßen mit derartigen
Induktionseinrichtungen 80 nachrüsten.
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- 10
- Werkstück
- 20
- Materialflussrichtung
- 30
- erste
Warmumformungseinrichtung
- 31
- zweite
Warmumformungseinrichtung
- 32
- Oberstempel
- 33
- Unterstempel
- 40
- erste
Erwärmungseinrichtung
- 41
- zweite
Erwärmungseinrichtung
- 42
- dritte
Erwärmungseinrichtung
- 43
- vierte
Erwärmungseinrichtung
- 50
- erste
Beschneideinrichtung
- 51
- zweite
Beschneideinrichtung
- 52
- Schneide
- 60
- Ablageeinrichtung
- 70
- Greifer
- 71
- Stromleitung
- 80
- Induktionseinrichtung
- 81
- Durchlaufanlage
mit Querfeldinduktor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3102638
A1 [0009]
- - DE 10312623 A1 [0010, 0010]
- - DE 2423267 [0011]
- - DE 102005055494 B3 [0012]
- - EP 0971044 B1 [0044]
- - DE 102006019567 B3 [0044]