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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der
DE 100 22 360 A1 bekannt. Das dort in den
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21 beschriebene Verbundbauteil setzt sich aus mehreren Rohrstücken zusammen, welche mittels Innenhochdruckumformen hergestellt sein können. Die Rohrstücke weisen perforierte Sicken auf, über die sie zusammengeschoben werden. Des Weiteren werden offene ebenfalls mit perforierten Sicken versehene Profile auf die Rohrstücke aufgeschoben, wobei die Sicken der Profile auf den Sicken der Rohrstücke zu liegen kommen. Danach wird der Profilkomplex in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und in den Bereichen der Schiebeverbindung mit Kunststoff umspritzt. Der flüssige Kunststoff dringt dabei durch die Durchbrüche der Sicken und bildet nach Erstarrung nietartige Verbindungselemente zwischen den Rohrstücken und den aufgeschobenen Profilen. Des Weiteren wird durch die Umspritzung eine Verkleidung und eine Steifigkeit erhöhende Verrippung der versickten Profile geschaffen. Infolge des Spritzgießdruckes kann es jedoch zu einem Kollabieren der Rohrstücke kommen, was zu einer erhöhten Ausschussrate führt. Dies kann gegebenenfalls durch eine deutlich erhöhte Wandstärke der Rohrstücke vermieden werden, was jedoch wiederum das Gewicht des Verbundbauteils erhöht. Weiterhin ist die Erzielung der Verbindung über die Kunststoffniete ziemlich aufwändig, da die Rohrstücke und Profile exakt mit den Durchbrüchen der Sicken aufeinander positioniert sein müssen, ganz zu schweigen von dem zusätzlichen Verfahrenschritt der Perforierung der Sicken.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2007 057 724 A1 zeigt eine Tragkonstruktion, welche aus zumindest zwei Hohlprofilen besteht, welche durch Formschluss miteinander verbunden sind. Um ohne zusätzliche Versteifungsbauteile eine hohe Stabilität der Tragkonstruktion mit einer gleichzeitig hohen konstruktiven Variierbarkeit in relativ einfacher Weise zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass ein erstes sich in Querrichtung zum zweiten Hohlprofil erstreckendes Hohlprofil als Strangpressprofil mit zumindest zwei voneinander durch eine Trennwand getrennten, parallel zum zweiten Hohlprofil verlaufenden Kammern ausgebildet ist, wobei das zweite Hohlprofil , das die eine Kammer durchragt, dort formschlüssig aufgenommen und vom ersten Hohlprofil umgriffen ist.
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Die PCT-Anmeldung
WO 2008/067901A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, wobei ein rohrförmiges metallisches Hohlprofil mittels fluidischen Innenhochdrucks in eine Endform aufweitend umgeformt wird. Das Hohlprofil wird dabei in einem geschlossenen Formwerkzeug mit einem Spritzgusswerkstoff lokal umspritzt, während im Ausgangshohlprofil ein Stützdruck erzeugt wird, der zumindest dem vom Spritzgusswerkstoff ausgeübten Gießdruck entspricht. Danach wird der umspritzte Spritzgusswerkstoff abgekühlt und nach der Abkühlung das fertig ausgebildete Verbundbauteil dem Formwerkzeug entnommen. Um in relativ einfacher Weise und prozesssicher die Herstellung eines Verbundbauteils zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Umformung des Hohlprofils mittels Innenhochdrucks in die Endform im geschlossenen Formwerkzeug gegen Ende oder nach der Abkühlphase in seinen nicht umspritzten Bereichen erfolgt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterzubilden, dass die Herstellung eines Verbundbauteils mit geringem Gewicht und komplexer Bauart in einfacher Weise und prozesssicher ermöglicht wird.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Hierbei wird das Hohlprofil in eine Aufnahme des Anschlussbauteils eingebracht, wonach das Hohlprofil mittels fluidischen Innenhochdrucks unter konturtreuer Anlage an der Aufnahme des Anschlussbauteils aufgeweitet wird.
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Währenddessen werden das Anschlussbauteil und das sich in dessen Aufnahme befindliche Hohlprofil im Aufnahmebereich bei anliegendem Innenhochdruck im Hohlprofil umspritzt. Aufgrund eines anliegenden Innenhochdruckes, der nicht zwangsweise die Höhe eines Umformdruckes besitzen muss sondern vielmehr nur einen Stützdruck darstellen kann, wird ein Einfallen des Hohlprofils beim Spritzgießvorgang verhindert, was die Prozesssicherheit gewährleistet und die Ausschussquote minimiert. In Zusammenwirkung mit dem anliegenden Innenhochdruck trägt der Wegfall von Sicken und insbesondere von Perforationen ebenfalls zur Prozesssicherheit bei, da die Perforationen das Aufbringen eines Innenhochdruckes verhindern würden. Des Weiteren vereinfacht der genannte Verzicht auf Sicken und Perforationen die Gestaltung des Hohlprofils und des Anschlussbauteils und damit das Herstellungsverfahren des Verbundbauteils erheblich. Da allein der Stützdruck ausreicht um einen Kollaps des Hohlprofils beim Spritzgießen zu vermeiden, kann das Hohlprofil gegebenenfalls auch das Anschlussbauteil mit geringen Wandstärken ausgestattet sein, was wesentlich zum Leichtbau des Verbundbauteils beiträgt. Dadurch, dass die Ausformung des Hohlprofils in der Aufnahme des Anschlussbauteils mittels Innenhochdruck erfolgt und nicht vor dem Einbringen in die Aufnahme, wird der Herstellungsprozess verkürzt. Ebenso ermöglicht dies die exakte Anpassung des Hohlprofils an die Aufnahme des Anschlussbauteils, so dass keine Montagetoleranzen auftreten. Obwohl es denkbar ist, dass das Hohlprofil mit dem Anschlussbauteil nach der Aufweitung im Innenhochdruckumformwerkzeug in ein separates Spritzgießwerkzeug umgesetzt werden kann, ist es zum einen für die Verfahrenökonomie und für einen geringen apparativen Aufwand von Vorteil Aufweiten und Umspritzen im gleich Werkzeug abfolgen zu lassen. Hierbei sind entweder das Innenhochdruckumformwerkzeug oder das Spritzgießwerkzeug entsprechend bautechnisch bzw. konstruktiv auf das dort zusätzlich ausgeführte Verfahren anzupassen. Zum anderen entstehen keine möglichen Schäden durch die Umsetzung. Mit der Umspritzung entsteht dann das Verbundbauteil, welche zur Verkürzung des Herstellungsprozesses bereits während des Aufweitvorgangs erfolgen kann. Dabei ist darauf zu achten, dass das flüssige oder breiige Spritzgießmaterial noch nicht erstarrt ist, so dass dies die Aufweitung schadlos mitmachen kann.
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Als Anschlussbauteil kann ein Blechprofil verwandt werden, das im Tiefziehverfahren konstruktiv in einfacher Weise gezielt an die Anforderungen wie beispielsweise die Stabilität gegenüber mechanischen Belastungen und/oder eine geeignete Anbindung an die Fahrzeugumgebung angepasst werden kann, die in Verbauungslage des Verbundbauteils an dieses am Orte des Anschlussteils gestellt sind. Dabei kann das Blech unterschiedlich dick sein oder/und auch aus einzelnen, jedoch miteinander verbundenen tailored blanks bestehen. In das Blechprofil können weiterhin Aufnahmen für im Kraftfluss liegende Elemente wie Buchsen usw. in die Verstärkungsstruktur des in den Gesamtzusammenbau eingefügten Verbundbauteils integriert werden.
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Die Aufnahme kann als Durchführung bzw. Loch im Blechprofil ausgebildet sein, welches dann zur Einnahme der Anordnungslage für den Aufweitvorgang und das Umspritzen auf das Hohlprofil aufgeschoben wird. Weiterhin ist es denkbar, dass die Aufnahme durch eine Auskröpfung des Blechprofils gebildet ist, die - endseitig des länglichen Blechprofils gelegen - klauenartig anmutet. Das Hohlprofil wird zur Verbindung durch die Öffnung der Auskröpfung des Blechprofils in diese eingelegt, wobei das Blechprofil das Hohlprofil in der Einbringungslage zu 180° umgreift. Die Art der Aufnahme ist besonders einfach herzustellen, da sie im Tiefziehvorgang, in dem dem strukturlosen Ausgangsblech oder der Platine eine entsprechende Kontur gegeben wird, gleich mit ausgeformt werden kann.
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Das Anschlussbauteil kann auch als Hohlprofil, insbesondere als Rohr oder Strangpressprofil ausgebildet sein, was die Steifigkeit des Verbundbauteils noch weiter erhöht. Zur Bauraumanpassung oder Belastungsausrichtung kann das Rohr in einem vorweggenommenen Verfahrensschritt vorgebogen werden. Durch eine entsprechende Biegekontur lässt sich die genannte Aufnahme gleichfalls relativ einfach ausbilden.
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Das Hohlprofil, das den Träger für das Anschlussbauteil bildet, kann auch vorgebogen und/oder tordiert sein. Die tordierte Kontur des Hohlprofils hat darüber hinaus noch den Vorteil, dass das später umspritzte Spritzgießmaterial in axialer und auch in Umfangsrichtung durch die formschlüssige Umgreifung festgesetzt wird, so dass ein Wegrutschen auf dem Hohlprofil nicht mehr möglich ist. Aufgrund der Zusammenwirkung des Spritzgusses mit dem Hohlprofil und dem Anschlussbauteil ist ein hochkomplexes multifunktionales Verbundbauteil in einfacher Weise herstellbar, das leicht von Gewicht, aber trotzdem extrem stabil und biege- bzw. auch verwindungssteif ist. Des Weiteren können alle Befestigungselemente und Fügetechniken, die in bekannten Bauweisen üblich sind, entfallen. Dies macht die Herstellung besonders schnell, einfach und preiswert.
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Ein sehr guter Halt des Anschlussbauteils am Hohlprofil wird durch die Umspritzung erzielt, die beide im Bereich der Aufnahme umgreift und durch Formschluss und auch durch Schrumpfung des Spritzgießmaterials während des Erstarrens verbindet.
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Dabei wird das Anschlussbauteil nur elastisch, das Hohlprofil jedoch plastisch aufgeweitet. Hierbei wird das Anschlussbauteil in seiner Fertigform in das Innenhochdruckumformwerkzeug eingebracht. Aufgrund dessen, dass das Hohlprofil sich plastisch aufweitet, während sich die Aufnahme des Anschlussbauteils nur elastisch aufweitet, bekommt das Hohlprofil in der Aufnahme ein Übermaß, wodurch infolge der elastisch zurückfedernden Aufnahme nach Entspannung des Fluiddruckes ein Presssitz zwischen der Aufnahme und dem Hohlprofil gebildet wird. Dies steigert den Halt der Einzelteile des Verbundbauteils aneinander ungemein. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass das Hohlprofil sich durch die Aufweitung lediglich an die Aufnahme anlegt ohne eine Klemmspannung in der Aufnahme zur erzeugen. In diesem Falle ist es allein die Umspritzung, die das Verbundbauteil unlösbar zusammenhält.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 wird das Hohlprofil mit dem Anschlussbauteil, dessen Aufnahme Formschlusselemente wie Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, mittels des Aufweitens formschlüssig verbunden. Infolge dessen, dass die Aufnahme eine von der Kreisform abweichende Kontur besitzen kann und bei der Aufweitung dem Hohlprofil die konturgleiche Form verliehen wird, kommt zwischen der Aufnahme und dem Hohlprofil ein Formschluss zustande, der dieses zumindest drehfest in der Aufnahme des Anschlussbauteils hält. Mit Ausbildung der genannten Formschlusselemente, die vom Hohlprofil umgriffen oder ausgefüllt werden, wird der Formschluss noch weiter verstärkt, so dass auch in axialer Richtung ein hoher Halt gebender Beitrag für die Einzelteile des Verbundbauteils aufgebracht wird.
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Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 wird aus dem Anschlussbauteil mittels der Umspritzung ein Funktionselement gebildet. Damit erhält in verfahrensökonomischer Weise die Umspritzung nicht nur die Eigenschaft eines Verbindungselements zwischen dem Hohlprofil und dem Anschlussbauteil sondern darüber hinaus gleichzeitig die Ausprägung eines eigenständigen komplexen und besonders eigenstabilen Bauteils, das beispielsweise als Konsole oder Halter für weitere Fahrzeugkomponenten im Kraftfahrzeugbau dienen kann. Zwar ist es alternativ denkbar, dass sich die Umspritzung allein auf die Verbindung konzentriert. Jedoch ist es bei der Anforderung filigraner Strukturen unerlässlich, das Anschlussbauteil mit Spritzguss entsprechend zu komplettieren. Des Weiteren kann die Umspritzung in Form von Rippen dem Anschlussbauteil eine höhere Steifigkeit geben. In einer Gewicht sparenden Variante kann der Spritzguss den Hauptbestandteil des Funktionselements bilden, während das aus Metall bestehende Anschlussbauteil als Verstärkung des Funktionselements fungiert. In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 erfolgt das Umspritzen durch Schaumspritzgießen. Hierdurch ergeben sich hinsichtlich der Leichtbautechnik große Vorteile, wobei zusätzlich die Steifigkeit des Spritzgusselementes durch die mikrozelluläre Ausprägung des erstarrten Schaums besonders groß ist.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 In einer perspektivischen Ansicht ein Anschlussbauteil in Rohrform eines erfindungsgemäß herzustellenden Verbundbauteils,
- 2 In einer perspektivischen Ansicht das Abschlussbauteil aus 1 und ein Hohlprofil eines erfindungsgemäß herzustellenden Verbundbauteils,
- 3 In einer perspektivischen Ansicht das Anschlussbauteil aus 1 und das Hohlprofil aus 2 zu einem Verbundbauteil erfindungsgemäß umspritzt,
- 4 In einer Schnittdarstellung ein als Tiefziehblech ausgebildetes Anschlussbauteil und ein in dessen Aufnahme aufzunehmendes Hohlprofil zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Verbundbauteils,
- 5 In einer Schnittdarstellung das sich in der Aufnahme des Tiefziehblechs aus 4 befindende Hohlprofil zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Verbundbauteils,
- 6 In einer Schnittdarstellung das Hohlprofil in der Aufnahme des Anschlussbauteils aus 5 nach erfolgter Innenhochdruckaufweitung zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Verbundbauteils,
- 7 In einer Schnittdarstellung das erfindungsgemäß hergestellte Verbundbauteil nach Umspritzen des Anschlussbauteils und des Hohlprofils aus 6,
- 8 In einer perspektivischen Darstellung ein Abschnitt des Verbundbauteils aus 7,
- 9 In einer perspektivischen Darstellung das Verbundbauteil als wesentliches Bauteil eines Frontends eines Kraftfahrzeugs.
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In 1 ist ein Anschlussbauteil 1 eines Verbundbauteils 2 (3) dargestellt, das in Rohrform ausgebildet ist. Das Rohr ist vorgebogen und weist am unteren Ende eine hakenartige seitwärts verlaufende Biegung 13 auf, die als Halterung für Anbauteile oder - so wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf den Formverlauf des zu erzeugenden Verbundbauteils 2 abgestimmt ist und als Verstärkung des erstarrten Spritzgießmaterials dient. Das Anschlussbauteil 1 weist weiterhin an seinem oberen Ende eine ebenfalls hakenförmige nach hinten gebogene Biegung auf, die eine Aufnahme 3 bildet.
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Gemäß 2 wird ein Hohlprofil 4 in die Aufnahme 3 eingelegt, wobei das Hohlprofil 4 weitgehend über einen rechteckigen Querschnitt (bspw. Ende 5) verfügt, leicht S-förmig gebogen und an einem Ende 6 tordiert ist. Das Ende 6 selbst ist flach gepresst. In dieser Anordnung wird nun das Anschlussbauteil 1 und das Hohlprofil 4 in ein Innenhochdruckumformwerkzeug eingebracht, welches darauf geschlossen wird und die Enden 5,6 hochdruckdicht abgedichtet werden. Die Flachpressung des Endes 6 kann im Übrigen auch durch das Schließen des Werkzeuges erzielt werden.
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Hiernach wird in das Hohlprofil 4 eine Druckflüssigkeit eingeleitet und unter Erzeugung eines sehr hohen Druckes (über 1000 bar bei einem Hohlprofil 4 aus Stahlmaterial, geringer bei Leichtmetall) gespannt. Das Hohlprofil 4 weitet sich zur Folge auf, wobei es sich einerseits konturtreu an die den Formraum des Werkzeuges bildende Gravur des Werkzeugs und andererseits an die Aufnahmekontur anlegt. Hierbei ist es auch denkbar, dass das Anschlussbauteil unter einem inneren Hochdruck zur Abstützung steht. Denkbar ist auch, dass der Druck dort ausreicht, um das Anschlussbauteil aufweitend umzuformen. Während der Aufweitung oder anschließend bei einem Hochdruck, der nicht zwingend ein Umformdruck sein muss, wird in die Gravur des Werkzeugs im Bereich der Aufnahme 3 über einen Kanal Spritzgießmaterial, bspw. Kunststoff, eingeleitet, wodurch dieser Bereich umspritzt wird. In der vorliegenden speziellen Ausgestaltung nach 3 umgibt der eingespritzte Kunststoff das Hohlprofil 4 lamellenförmig, wobei die sich in Längs- und Querlamellen gliedernden Lamellen 7 in zwei parallele Längsstege 8 auslaufen, die mit zwischenliegenden Diagonalrippen 9 versteift sind und den zwischen der Biegung 13 und der Aufnahme 3 liegenden Längsabschnitt 10 des Anschlussbauteils 1 integrieren. Die Längsstege 8 enden in einem quer verlaufenden Befestigungsabschnitt 11, der Durchgangsöffnungen 12 für die Befestigung des Verbundbauteils 2 und die Biegung 13 in sich birgt. Das Anschlussbauteil 1 bildet somit gemeinsam mit der Umspritzung ein Funktionselement 14. Nach Abschluss des Spritzgießverfahrens, vorzugsweise des Schaumspritzgießens, wird der fluidische Innenhochdruck entspannt, die Druckflüssigkeit aus dem Verbundbauteil 2 herausgeführt und dieses dann dem Werkzeug entnommen.
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Eine Variante der Erfindung ist bezüglich der Herstellungsabfolge eines Verbundbauteils 15 in den 4-7 beschrieben. In 4 ist ein Anschlussbauteil 16 dargestellt, das aus einem tiefgezogenen Blechprofil besteht. Das Blechprofil weist einenends eine klauenartige Auskröpfung auf, die eine Aufnahme 17 für ein rohrförmiges Hohlprofil 18 bildet. Die Aufnahme 17 weist in ihren Wänden 19 muldenartige Vertiefungen 20 auf. Das Hohlprofil 18 wird nun in die Aufnahme 17 gemäß Pfeilrichtung eingelegt, wonach dieses nahezu vollständig in der Aufnahme 17 aufgenommen ist und an allen drei Wänden 19 anliegt (5). Dieser Zusammenbau wird anschließend in ein Innenhochdruckumformwerkzeug eingebracht, welches daraufhin geschlossen wird.
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Nach Abdichtung der Enden 21 (8) des Hohlprofils 18 mittels Axialstempeln wird ein Druckfluid in das Hohlprofil 18 eingeleitet und unter Hochdruck gesetzt. Infolge dessen weiter sich gemäß 6 das Hohlprofil 18 allseitig auf und legt sich konturtreu an die Wände 19 und die Vertiefungen 20 an. Hierdurch ist nun zwischen dem Hohlprofil 18 und dem Anschlussbauteil 16 ein unverrückbarer in Umfangsrichtung und Axialrichtung wirkender Formschluss gegeben, wodurch das Hohlprofil 18 und das Anschlussbauteil 16 unverlierbar aneinander gehalten sind. Während der Aufweitung oder im Anschluss daran wird über in das Innenhochdruckumformwerkzeug integrierte Kanäle Spritzgießmaterial in entsprechende Kavitäten des Werkzeuges eingeleitet, welches das Hohlprofil 18 und das Anschlussbauteil 16 im Aufnahmebereich formschlüssig umfasst und diesen dadurch einen zusätzlichen verstärkten Halt aneinander gibt (7). Der Aufnahmebereich kann vollständig vom Spritzgießmaterial umhüllt sein oder wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 8 lokal in Form von Längslamellen 22 und diese verbindenden Querlamellen 23 umgeben sein. Nach der Umspritzung und Erstarrung des Spritzgießmaterials, vorzugsweise ein Kunststoff, wird der Innenhochdruck innerhalb des Hohlprofils 18 entspannt, das Druckfluid daraus herausgeleitet, das Werkzeug geöffnet und diesem das fertige Verbundbauteil 15 vorzugsweise mittels eines Roboters oder Manipulators entnommen.
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Wie in 8 des Weiteren zu sehen ist, ist der sich an die Aufnahme 17 anschließende Abschnitt 24 des Anschlussbauteils 16 wannenförmig ausgebildet, wobei er von zwei flanschartigen Randstreifen 25 besäumt ist. Die Lamellen 22 setzen sich in der Wanne 26 des Abschnitts 24 und an deren Rückseite 27 in parallel beabstandeten Stegen 28 fort, welche in der Wanne 26 durch Diagonalrippen 29 verbunden sind. Hierdurch wird dem Anschlussbauteil 16 eine zusätzliche Versteifung verliehen.
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Mit anderen Worten kann man auch sagen, dass das Spritzgießmaterial durch die Formgebung des Anschlussbauteils 16 und des aufgeweiteten Hohlprofils 18 insbesondere im Aufnahmebereich und den mit der Umspritzung erreichten Formschluss einen festen Halt und durch die geschlossene Profilform des Hohlprofils 18 wie auch die Wannenform des Anschlussbauteils 16 eine besonders hohe Steifigkeit erhält. Insgesamt bildet das Spritzgießmaterial mit dem Anschlussbauteil 16 ein Funktionselement 30 aus, mit dem das Verbundbauteil 15 an seine Karosserieumgebung angebunden bzw. gefügt werden kann.
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Nach 9 kann das Verbundbauteil ein Frontend eines Kraftfahrzeugs bilden, wobei das Hohlprofil 18 als Querträger und die von ihm getragenen Funktionselemente als Anbindungsbereiche für weitere Anbauteile und die Karosserie (bspw. Kotflügel) dienen.