SCHMELZER, Paul (Wilhelm-Schmidt-Strasse 3, Dortmund, 44263, DE)
MARRE, Michael (Feldgarten 61, Dortmund, 44388, DE)
BROSIUS, Alexander (Domänenstr. 10, Dortmund, 44225, DE)
TEKKAYA, Erman (Hugo-Heimsath-Str. 44, Dortmund, 44227, DE)
SEBASTIANI, Gerd (Thusneldastrasse 13, Dortmund, 44149, DE)
SCHMELZER, Paul (Wilhelm-Schmidt-Strasse 3, Dortmund, 44263, DE)
MARRE, Michael (Feldgarten 61, Dortmund, 44388, DE)
BROSIUS, Alexander (Domänenstr. 10, Dortmund, 44225, DE)
TEKKAYA, Erman (Hugo-Heimsath-Str. 44, Dortmund, 44227, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstücken (1 ), insbesondere von Blechverbundwerkstücken, bei dem das Verbundwerkstück (1 ) aus einer geschichteten Anordnung von mindestens zwei Materialschichten (2, 3) besteht, zwischen denen Verstärkungen (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstärkung des Verbundwerkstückes (1 ) aus strangförmigen Verstärkungselementen gebildete Verstärkungsstrukturen (4) zwischen mindestens zwei aneinandergrenzende Materialschichten (2, 3) eingebracht und anschließend zumindest eine der Materialschichten (2, 3) umgeformt wird. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die strangförmigen Verstärkungselemente (4) ein- oder mehrachsige Verstärkungsstrukturen (4) aus Verstärkungsdrähten, Verstärkungsseilen, Verstärkungsrohren, Verstärkungskabeln oder dgl. strangförmigen Verstärkungselementen (4) bilden. 3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (4) zwischen die mindestens zwei, in einem unverformten, vorzugsweise in einem ebenen Zustand befindlichen, Materialschichten (2, 3) eingebracht und gemeinsam mit den mindestens zwei Materialschichten (2, 3) umgeformt werden. 4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Materialschichten (2, 3) zumindest teilweise vorgeformt oder fertig umgeformt wird und die Verstärkungselemente (4) auf eine der Materialschichten (2, 3) aufgebracht und bei der Umformung zwischen der zumindest teilweise vorgeformten oder fertig umgeformten Materialschicht (2, 3) und der zweiten angrenzenden Materialschicht (3, 2) festgelegt werden. 5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (4) auf die vorgeformte oder fertig umgeformte Materialschicht (2, 3) aufgebracht werden. 6. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (4) auf die unverformte Materialschicht (2, 3) aufgebracht werden. 7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung zu dem Verbundwerkstück (1 ) mittels eines Verfahrens der symmetrischen inkrementellen Blechumformung, vorzugsweise mittels eines Drückverfahrens erfolgt. 8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung zu dem Verbundwerkstück (1 ) mittels eines Verfahrens der asymmetrischen inkrementellen Blechumformung, vorzugsweise mittels SPIF Single Point Incremental Forming, TPIF Two Point Incremental For- ming oder KISF Kinematic Incremental Sheet Forming erfolgt. 9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung zu dem Verbundwerkstück (1 ) mittels eines Tiefziehverfahrens, eines Streckziehverfahrens oder eines Verfahrens der zieh- oder wirkmedienbasierten Blechumformverfahren erfolgt. 10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung zu dem Verbundwerkstück (1 ) mittels eines Verfahrens der inkrementellen Rohrumformung, vorzugsweise mittels eines Einziehverfahrens für Rohre erfolgt. 11. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Materialschichten (2, 3) aus einem niedrig schmelzenden Material gebildet wird, auf das Verstärkungsstrukturen (4) aus einem höher schmelzenden Material aufgebracht werden. 12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (4) aus dem höher schmelzenden Material nach dem Aufbringen auf die Materialschicht (2, 3) aus dem niedrig schmelzenden Material erhitzt werden und die Materialschicht (2, 3) aus dem niedrig schmelzenden Ma- terial zumindest lokal an- oder aufschmilzt und sich mit dieser Materialschicht (2, 3) verbindet. 13. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsstrukturen (4) elektrisch leitende Materialien verwendet werden, die nach der Umformung als Strom- oder Datenleitungen verwendet werden können. 14. Verfahren gemäß Anspruch' 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (4) als Spule, als Dehnungsmessstreifen in Form einer Mäanderwicklung oder als elektromagnetischer Näherungssensor verwendet werden. 15. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die aneinandergrenzenden Materialschichten (2, 3) zusätzlich zu den Verstärkungsstrukturen (4) zumindest eine Schicht elektrisch isolierendes Material eingebracht wird, wodurch das Verbundbauteil als Kondensator oder als EM-Schild wirkt. 16. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsstrukturen (4) hohle durchgehende Röhrchen (7) oder dgl. verwendet werden, durch die nach der Umformung fluide Medien gefördert werden können. 17. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (4) nach der Umformung aus dem Bereich zwischen den Materialschichten (2, 3) entfernt, vorzugsweise als verlorene Kerne ausgeschmolzen oder auf sonstige Weise entfernt werden, wonach durch die verbleibenden Kavitäten (17) zwischen den Materialschichten (2, 3) fluide Medien gefördert werden können. 18. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (4) zur Formgebung von Funktionsflächen auf einer der Materialschichten (2, 3) genutzt wird, vorzugsweise für das Walzen von Gewinden entlang einer gewindeartig zwischen den Materialschichten (2, 3) eingelagerten Verstärkungsstruktur (4). 19. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand des Verbundwerkstückes (1 ) durch Umbördeln (16) oder durch umlaufende Sicken (15) ganz oder teilweise verschlossen wird. 20. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (4) lokal nur auf Teilbereiche zwischen den Materialschichten (2, 3) aufgebracht werden, in denen eine Verstärkung des Verbundwerkstückes (1 ) gefordert ist. 21. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (4) während des Umformprozesses zu und/oder nachgeführt werden. 22. Verbundwerkstück (1 ), insbesondere Blechverbundwerkstück, bei dem das Verbundwerkstück (1 ) aus einer geschichteten Anordnung von mindestens zwei Materialschichten (2, 3) besteht, zwischen denen Verstärkungen (4) angeordnet sind, insbesondere herstellbar nach dem Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei aneinandergrenzende Materialschichten (2, 3) des Verbundwerkstückes (1 ) aus strangförmigen Verstärkungselementen (4) gebildete Verstärkungsstrukturen (4) eingebracht sind, die gemeinsam mit zumindest einer der Materialschichten (2, 3) umgeformt werden. 23. Verbundwerkstück (1 ) gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die strangförmigen Verstärkungselemente (4) ein- oder mehrachsige Verstärkungsstrukturen (4) aus Verstärkungsdrähten, Verstärkungsseilen, Verstärkungsrohren, Verstärkungskabeln oder dgl. strangförmigen Verstärkungselementen aufweisen. 24. Verbundwerkstück (1 ) gemäß einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (4) parallel zueinander gespannte strangförmige Verstärkungselemente (4) aufweist. 25. Verbundwerkstück (1) gemäß einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (4) sich kreuzende, mehrachsig netzartig gespannte strangförmige Verstärkungselemente (4) aufweist. 26. Verbundwerkstück (1 ) gemäß einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (4) spulenförmig, spiralförmig oder mäanderförmig gewundene strangförmige Verstärkungselemente (4) aufweist. 27. Verbundwerkstück (1 ) gemäß einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (4) derart beeinflussbar sind, dass sich ihre physikalischen Eigenschaften der Verstärkungsstrukturen (4) nach der Umformung reversibel ändern und, vorzugsweise durch Stromdurchgang, Erwärmung oder dgl., ihre mechanischen Eigenschaften ändern. 28. Verbundwerkstück (1 ) gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (4) wärmeleitend ausgebildet sind. 29. Verbundwerkstück (1 ) gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (4) magnetisch ausgebildet sind. 30. Verbundwerkstück (1 ) gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (4) aus einer Formgedächtnislegierung gebildet sind, die bei Erwärmung in ihre Ausgangskonfiguration zurückgeht. 31. Verbundwerkstück (1 ) gemäß einem der Ansprüche 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die strangförmigen Verstärkungselemente (4) eine profilierte Querschnittsform, vorzugsweise einen typischen Querschnitt eines Gewindeprofils aufweisen. |
Verstärkungsstrukturen
sowie entsprechend hergestellte Verbundwerkstücke
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstücken mit Verstärkungsstrukturen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie entsprechend hergestellte Verbundwerkstücke gemäß Oberbegriff des Anspruches 22.
Die Herstellung von Verbundwerkstücken und insbesondere von Blechverbundwerkstücken ist ein grundsätzlich in der Technik schon auf vielfache Weise und mit unterschiedlichen Verfahren behandeltes Problem. Hierbei werden üblicherweise geschichtete Anordnungen aus Halbzeugplatinen oder Bändern unterschiedlichen Materials wie etwa metallische Blechplatinen oder auch Platinen aus einem Kunst- stoffmaterial übereinander und ggf. unter Zwischenschaltung von Verstärkungsstrukturen angeordnet und gemeinsam einer Umformung in eine zwei- oder dreidimensionale Form unterworfen. Die Blechplatinen werden hierbei einer im Wesentlichen gleichzeitigen und gleichartigen Verformung durch Drücken, Walzen, Ziehen oder dgl. Umformverfahren unterworfen und dadurch aneinander form- und kraftschlüssig festgelegt. Zusätzlich können die Platinen etwa auch durch Verklebung oder dgl. Verfahren sowie auch durch thermische Einflüsse miteinander verbunden werden.
Derartige Herstellverfahren von Blechverbundwerkstücken sind beispielsweise für plattierte Blechhalbzeuge in [2] und für eine wirkmedienbasierte Blechumformung plattierter Halbzeuge in [3] beschrieben. Weitere Ansätze lassen sich für eine asymmetrische inkrementelle Umformung in [4], für eine Umformung von Verbundhalbzeugen mittels asymmetrischer inkrementeller Blechumformung (AIBU) in [5] und für eine symmetrische inkrementelle Umformung in [6] mittels Drückverfahren finden.
Problematisch an dieser Herstellung von Verbundwerkstücken ist es, dass die geschichtete Anordnung der umzuformenden Halbzeuge zurzeit nur unter großem Aufwand möglich ist. Hierfür ist teilweise die Verwendung von teuren Sondermaschinen (wie z.B. Autoklaven) erforderlich, die zudem zusätzliche Prozessschritte in der Fertigungskette des Blechbauteils erfordern. Weiterhin werden lange Prozesszeiten der Halbzeugherstellung notwendig. Zudem ist die Umformung von Halbzeugen aus Verbundmaterial nur in begrenztem Maße möglich, da ansonsten Schädigungen der Schichten auftreten können. Dies führt dazu, dass metallische Verbundwerkstücke bislang nur als Profile oder Halbzeuge gefertigt werden.
Weiterhin stehen sich die Forderung nach einem gut umformbaren Material für das Verbundwerkstück und die spätere Endfestigkeit des Verbundwerkstücks eigentlich einander diametral gegenüber. Verwendet man ein gut verformbares, sprich duktiles Material wie etwa ein Leichtmetall, so sind die späteren Festigkeitswerte ggf. zu gering für eine dauerhafte Belastung des fertigen Verbundwerkstücks. Anders herum bereitet die Verwendung höherfester Materialien bei der Umformung des Verbundwerkstückes leicht Probleme.
Ein anderer Weg wird bei der Herstellung von lokal verstärkten Strangpressbauteilen beschritten, der für die Erzeugung von metallischen Verbundprofilen von Schomä- cker [1] beschrieben wurde. Hierbei werden bei der Formung von Strangpressbauteilen in einer modifizierten Umformstufe bei der Formgebung des Strangpressprofils in der Strangpressmatrize z.B. aus Draht bestehende Verstärkungselemente in das Material des Strangpressprofils mit eingelagert und verstärken dadurch das Strangpressbauteil. Die Verstärkungselemente aus Draht können ähnlich wie bei Betonbauteilen die Armierung eine wesentliche lokale Verstärkung des umgeformten Grundmaterials bewirken. Dieser Prozess ist allerdings nur für die Umformung beim Strangpressen beschrieben und zudem technisch relativ aufwändig zu realisieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstücken mit Verstärkungsstrukturen sowie entsprechend hergestellte Verbundwerkstücke vorzuschlagen, mit dem der Grundwerkstoff eines Verbundwerkstückes verstärkt werden kann, ohne dass die Umformungseigenschaften wesentlich beeinträchtigt werden, und damit ein wesentlich höher belastbares Verbundwerkstück zu gewährleisten.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Ver- bundwerkstücks aus den Merkmalen des Anspruchs 22 jeweils in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das die Erfindung betreffende Verfahren geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstücken, insbesondere von Blechverbundwerkstücken, bei dem das Verbundwerkstück aus einer geschichteten Anordnung von mindestens zwei Materialschichten besteht, zwischen denen Verstärkungen angeordnet sind. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiterentwickelt, dass zur Verstärkung des Verbundwerkstückes aus strangförmigen Verstärkungselementen gebildete Verstärkungsstrukturen zwischen mindestens zwei aneinandergrenzende Materialschichten eingebracht und anschließend zumindest eine der Materialschichten umgeformt wird. Soweit im Weiteren von Verstärkungsstrukturen oder Verstärkungselementen gesprochen wird, sollen immer auch sonstige Funktionselemente mit umfasst sein, die gemeinsam mit oder zusätzlich zu einer Verstärkungsfunktion zusätzliche Funktionen aufweisen können. Man könnte im Weiteren auch allgemein von Funktions- und/oder Verstärkungsstrukturen oder entsprechenden Elementen sprechen, dies soll jedoch der Einfachheit halber bei der Verwendung des Begriffes Verstärkungsstruktur oder Verstärkungselement immer mit umfasst sein. Durch die Einlagerung von aus strangförmigen Verstärkungselementen gebildeten Verstärkungsstrukturen zwischen die mindestens zwei Schichten des Verbundwerkstücks kann eine lokale und auch belastungsgerecht ausgerichtete Verstärkung der mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstücks erreicht werden, ohne dass die Umformbarkeit der Materialschichten des Verbundwerkstückes wesentlich oder überhaupt darunter leidet. Die Verstärkungsstrukturen übernehmen nach der Herstellung des Verbundwerkstücks die Aufgabe der Erhöhung der Festigkeit des Verbundwerkstücks, wobei durch die strangförmige Ausgestaltung der Verstärkungsstrukturen eine genaue Anpassung der erhöhten Festigkeitseigenschaften an die vorliegende Belastung erfolgen kann. Insbesondere wenn ein- oder mehrachsige Verstärkungsstrukturen aus Verstärkungsdrähten, Verstärkungsseilen, Verstärkungsrohren, Verstärkungskabeln oder dgl. strangförmigen Verstärkungselementen verwendet werden, kann die Belastbarkeit der Verstärkungsstrukturen genau ausgerichtet werden, beispielsweise durch eine einachsige harfenartige Verstärkungsstruk- tur bei einer einachsigen Belastung oder bei einer gitterartigen Verstärkungsstruktur bei mehrachsigen Belastungen. Die Verstärkungsstrukturen wirken dabei wie etwa auch bei armierten Betonbauteilen gezielt in die Richtungen oder in einer sonstigen Weise, die durch das Grundmaterial der Materialschichten nicht oder nicht ausreichend ermöglicht werden. Auch können die Verstärkungsstrukturen gezielt in belasteten Bereichen platziert werden. Dabei ist es von Vorteil, dass die Verstärkungsstrukturen z.B. über ein spezielles Werkzeug oder als vorkonfektioniertes Material während des Umformprozesses eingebracht und somit nicht durch den Prozess der Umformung geschädigt werden. Die Umformung und die Erzeugung des Verbundes geschehen dabei in einem Schritt. Die Umformung kann auf einer preiswerten (z.B. einer Fräsmaschine für die inkrementelle Blechumformung) oder verfügbaren (Presse) Umformmaschine durchgeführt werden und erfordert keine speziellen Maschinen oder Umformeinrichtungen. Es sind preiswerte Halbzeuge für die Herstellung der Verbundwerkstücke nutzbar. Das Formspektrum derartiger Verbundwerkstücke ist sehr flexibel und kann sowohl ebene Ausgangshalbzeuge wie ebene Platinen oder Bänder als auch Hohlkörper wie Rohre, Profile oder dgl. sowie komplexere Ausgangs- und Endtopographien beinhalten.
Von wesentlichem Vorteil ist es, wenn in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens die Verstärkungselemente zwischen die mindestens zwei, in einem unver- formten, vorzugsweise in einem ebenen Zustand befindlichen Materialschichten eingebracht und gemeinsam mit den mindestens zwei Materialschichten umgeformt werden. Hierbei wird im einfachsten Fall die aus strangförmigen Verstärkungselementen gebildete Verstärkungsstruktur wie etwa ein gitterartig aufgebautes Netz aus Verstärkungsdrähten zwischen die ebenen Materialschichten des späteren Verbundwerkstücks eingebracht und gemeinsam mit den beiden Materialschichten umgeformt, z.B. auf einer Drückmaschine oder einer Presse, in eine dreidimensional verformte Kontur wie z.B. ein Hohlkörper. Durch die in an sich bekannter Weise verlaufende Umformung der beiden Materialschichten legen sich die beiden Materialschichten fest aneinander an und fixieren die aus strangförmigen Verstärkungselementen gebildete Verstärkungsstruktur zwischen sich, wobei die Materialschichten direkt angrenzend an die Verstärkungsstruktur sich ebenfalls wulstförmig um die Verstärkungsstruktur herumschmiegen und diese formschlüssig durch die Wulste gehalten ist. Die Verstärkungsstruktur kann dann besonders hohe Belastungen, etwa aufgrund einer Druckbelastung innerhalb des z.B. später geschlossenen Hohlkörpers, aufnehmen, wodurch der Hohlkörper insgesamt wesentlich fester ausgebildet werden kann, als dies aufgrund des verwendeten Materials der Materialschichten möglich wäre.
In einer anderen Ausgestaltung ist es aber auch denkbar, dass mindestens eine der Materialschichten zumindest teilweise vorgeformt oder fertig umgeformt wird und die Verstärkungselemente auf eine der Materialschichten aufgebracht und bei der Umformung zwischen der zumindest teilweise vorgeformten oder fertig umgeformten Materialschicht und der zweiten angrenzenden Materialschicht festgelegt werden. Hierbei wird ein zweistufiges Verfahren ausgeführt, bei dem eine der Materialschichten vorab in eine vorverformte oder auch endmaßnahe Konfiguration verbracht wird. Anschließend werden die Verstärkungsstrukturen entweder auf die vorgeformte oder fertig umgeformte Materialschicht oder aber auf die unverformte Materialschicht aufgebracht und dann die noch unverformte Materialschicht umgeformt. Hierdurch ergibt sich dann wieder die Endkonfiguration des Verbundwerkstücks. Eine solche Vorgehensweise empfiehlt sich möglicherweise immer dann, wenn die Umformung des Verbundwerkstücks in einem solchen Maße erfolgt, dass die Umformbelastung der Verstärkungsstrukturen bei dieser Umformung zu hoch würde, oder auch, wenn eine gemeinsame Umformung aller Materialschichten und der Verstärkungsstrukturen zu hohe Maschinenbelastungen verursachen würden. Dann kann durch eine schrittweise Umformung der einzelnen Materialschichten unter zwischenzeitlicher Einfügung der Verstärkungsstrukturen das Mittel der Wahl sein, die Belastungen zu reduzieren.
Die Umformung zu dem Verbund Werkstück kann in der Praxis auf ganz unterschiedliche Weise erfolgen: So kann die Umformung zu dem Verbundwerkstück zum einen mittels eines Verfahrens der symmetrischen inkrementellen Blechumformung, vorzugsweise mittels eines Drückverfahrens erfolgen. Derartige Verfahren zur Herstellung insbesondere von rotationssymmetrischen Hohlkörpern, wie etwa Töpfen, Druckbehältern oder dgl., kommen häufig vor und haben hohe wirtschaftliche Relevanz. Auch können beim Drücken von Rohren und Zylindern nach DIN 8583-3 während der Umformung entsprechende Verbundwerkstücke hergestellt werden. Eine andere Art der Herstellung kann mittels eines Verfahrens der asymmetrischen inkrementellen Blechumformung, vorzugsweise mittels SPIF Single Point Incremen- tal Forming, TPIF Two Point Incremental Forming oder KISF Kinematic Incremental Sheet Forming erfolgen. Derartige Umformverfahren haben den Vorteil gegenüber dem Drücken, auch andere als rotationssymmetrische Formen durch sukzessive lokale Verformung der Materialschichten zu ermöglichen, sodass die jeweils lokal zu leistende Umformarbeit gering ist, die Umformung dadurch aber länger dauert. Die unterschiedlichen Verfahren unterscheiden sich dabei hinsichtlich der Kinematik von Werkzeug und ggf. Gegenhalter. Es ist aber auch denkbar, dass die Umformung zu dem Verbundwerkstück mittels eines Tiefziehverfahrens, Streckziehverfahrens oder eines Verfahrens der zieh- oder wirkmedienbasierten Blechumformverfahren erfolgt. Hierbei kommen alle derartigen Verfahren grundsätzlich in Frage, bei denen mittels Werkzeugen oder Matrizen die Formgebung des Verbund Werkstücks global oder wie etwa beim Ziehen in einer definierten Umformzone erfolgt. Es ist aber auch denkbar, dass die Umformung zu dem Verbundwerkstück mittels eines Verfahrens der inkrementellen Rohrumformung, vorzugsweise mittels eines Einziehverfahrens für Rohre, erfolgt. Dabei wird ein Halbzeugrohr lokal etwa durch ein Einziehen verformt und anschließend werden in dem verformten Bereich die Verstärkungsstrukturen aufgebracht, wonach dann eine weitere Materialschicht mittels Umformung über die Verstärkungsstruktur gelegt werden kann. Auch wäre es denkbar, die Verstärkungsstrukturen zwischen zwei maßlich darauf abgestimmten Rohren anzuordnen und diese Schichtung dann gemeinsam zu verformen. Ein derart im Bereich zwischen den Rohren etwa spulenartig ausgebildetes Verstärkungselement könnte dann als in das rohrartig ausgebildete Verbundwerkstück eingebetteter z.B. induktiver Durchflussmesser genutzt werden.
Insbesondere für die Herstellung von Verbundwerkstücken aus Kunststoffen, aber auch aus metallischen Verbundwerkstücken aus niedriger schmelzenden Materialien ist es denkbar, dass zumindest eine der Materialschichten aus einem niedrig schmelzenden Material gebildet wird, auf das Verstärkungsstrukturen aus einem höher schmelzenden Material aufgebracht werden. Hierbei können in weiterer Ausgestaltung die Verstärkungsstrukturen aus dem höher schmelzenden Material nach dem Aufbringen auf die Materialschicht aus dem niedrig schmelzenden Material z.B. durch Stromdurchgang erhitzt werden und die Materialschicht aus dem niedrig schmelzenden Material zumindest lokal an- oder aufschmelzen und sich mit dieser Materialschicht verbinden. Hierdurch werden die Verstärkungsstrukturen zusätzlich zu der Festlegung an den Materialschichten durch die Umformung vor oder nach der Umformung mit der niedriger schmelzenden Materialschicht verbunden und das Verbundwerkstück dadurch in seinen Festigkeitseigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Auszugsfestigkeit einachsig verspannter Verstärkungsstrukturen verbessert werden. Wenn keine Verwendung unterschiedlich schmelzender Materialien möglich ist, können die strangförmigen Verstärkungsstrukturen ggf. auch auf eine der Materialschichten aufgeschweißt werden.
Es ist weiterhin denkbar, dass als Verstärkungsstrukturen elektrisch leitende Materialien verwendet werden, die nach der Umformung als Strom- oder Datenleitungen verwendet werden können. Hierzu können etwa metallische und damit elektrisch gut leitende Drähte zwischen die Materialschichten eingebracht werden, die nach der Umformung aufgrund ihrer Festigkeitseigenschaften durchgängig leitend sind und damit z.B. elektrischen Strom in das Innere des Verbundwerkstücks transportieren. Dort können etwa elektrische Verbraucher, Schaltungen, Messeinrichtungen oder dgl. angeschlossen werden, die über die Verstärkungsstrukturen versorgt werden können. Die Verstärkungsstrukturen könnten etwa als Spule, als Dehnungsmessstreifen in Form einer Mäanderwicklung oder als elektromagnetischer Näherungssensor verwendet werden. Auch können derartige Drähte selbst bei Stromdurchgang erwärmt werden und als Flächenheizung das Verbundwerkstück temperieren. Die elektrisch leitenden Verstärkungsstrukturen sind dadurch von äußeren Einflüssen geschützt und man benötigt keine Bohrungen oder Aufsätze für Kabelhalterungen oder dgl..
Von Vorteil insbesondere bei derartiger Stromleitung über die Verstärkungsstrukturen ist es, wenn zwischen die aneinandergrenzenden Materialschichten zusätzlich zu den Verstärkungsstrukturen zumindest eine Schicht elektrisch isolierendes Material eingebracht wird, wodurch das Verbundbauteil etwa auch als Kondensator oder als EM-Schild (EM elektromagnetisches Schild) wirken kann. Auch kann eine derartige Schicht elektrisch isolierendes Material bei Verwendung metallisch leitender Materia- lien für die Materialschichten des Verbundwerkstücks eine elektrische Isolierung bilden.
In anderer Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass als Verstärkungsstrukturen hohle durchgehende Röhrchen oder dgl. verwendet werden, durch die nach der Umformung fluide Medien gefördert werden können. Die nach der Umformung offene Querschnitte behaltenden Röhrchen werden als strangförmige Verstärkungselemente zwischen die Materialschichten eingebracht und wie vorstehend beschrieben mit verformt, bilden aber nach der Verformung dann durchgehende Kavitäten, durch die etwa temperierende Fluide durch das Innere des Verbundwerkstücks geleitet werden können. Hierdurch kann das Verbundwerkstück gezielt gekühlt oder erhitzt werden, ohne dass außen anliegende Einrichtungen vorgesehen werden müssen, auch ist dadurch der thermische Übergang verbessert.
In einer anderen Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass die Verstärkungsstrukturen nach der Umformung aus dem Bereich zwischen den Materialschichten entfernt, vorzugsweise als verlorene Kerne ausgeschmolzen oder auf sonstige Weise entfernt werden, wonach direkt durch die verbleibenden Kavitäten zwischen den Materialschichten fluide Medien gefördert werden können. Hierdurch können wiederum die oben schon beschriebenen Kavitäten erzeugt werden, wobei diesmal keine Verstärkungsstrukturen nach der Umformung vorliegen, sondern nur die längserstreckten Kavitäten verbleiben. Erreicht werden kann dies z.B. durch bekannte Ausschmelzverfahren oder dgl..
Es ist weiterhin denkbar, dass die Verstärkungsstruktur zur Formgebung von Funktionsflächen auf einer der Materialschichten genutzt wird, vorzugsweise für das Walzen von Gewinden entlang einer gewindeartig zwischen den Materialschichten eingelagerten Verstärkungsstruktur. Werden die Verstärkungsstrukturen entsprechend z.B. zwischen zwei Rohren leicht unterschiedlichen Durchmessers schraubenförmig angeordnet, so drücken sich die Verstärkungsstrukturen nach dem Umformen leicht außenseitig und innenseitig der Rohre auf der Außenseite bzw. der Innenseite durch. Damit kann etwa durch ein Formwalzen derartiger Rohre, quasi mit den Verstärkungsstrukturen als möglicherweise im Querschnitt profilierter Kern, eine Art Gewindegang oder dgl. aus dem Material der Rohre geformt werden, was ansonsten nur wesentlich aufwändiger durch lokale Änderung der Materialdicke der Rohre möglich wäre.
Insbesondere für die spätere Funktion der Verbundwerkstücke ist es von Vorteil, wenn der Rand des Verbundwerkstückes durch Umbördeln oder durch umlaufende Sicken ganz oder teilweise verschlossen wird. Hierdurch werden die Öffnungen am Austrittsbereich der Verstärkungsstrukturen, durch die z.B. Fluide zwischen die Materialschichten der umgeformten Verbundwerkstücke eindringen könnten, weitgehend verschlossen.
Von besonderem Vorteil ist es, dass die Verstärkungsstrukturen lokal nur auf Teilbereiche zwischen den Materialschichten aufgebracht werden können, in denen eine Verstärkung des Verbundwerkstückes gefordert ist. So kann z.B. eine Verstärkung im Bereich von Öffnungen von Hohlkörpern gezielt dadurch erfolgen, dass die Verstärkungsstrukturen dort angeordnet werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verbundwerkstück, insbesondere Blechverbundwerkstück, bei dem das Verbundwerkstück aus einer geschichteten Anordnung von mindestens zwei Materialschichten besteht, zwischen denen Verstärkungen angeordnet sind, das insbesondere gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt wurde und in das zwischen mindestens zwei aneinandergrenzende Materialschichten des Verbundwerkstückes aus strangförmigen Verstärkungselementen gebildete Verstärkungsstrukturen eingebracht sind, die gemeinsam mit zumindest einer der Materialschichten umgeformt werden. Derartige ein- oder mehrachsige Verstärkungsstrukturen aus strangförmigen Verstärkungselementen können aus Verstärkungsdrähten, Verstärkungsseilen, Verstärkungsrohren, Verstärkungskabeln oder dgl. strangförmigen Verstärkungselementen bestehen. Hierbei ist unter strangförmigen Verstärkungselementen jede Art längserstreckter Topographie von linienförmi- gen Elementen zu verstehen, unabhängig von Querschnittsform und Material. Die Eigenschaften der Verstärkungsstrukturen können daher durch Auswahl des Materials und Formgebung der Verstärkungsstrukturen in weiten Grenzen beeinflusst werden.
Die Verstärkungsstrukturen können dabei parallel zueinander gespannte strangför- mige Verstärkungselemente aufweisen, die etwa harfenartig nebeneinander ver- spannte einzelne Stränge aufweisen. Auch ist es denkbar, dass die Verstärkungsstruktur sich kreuzende, mehrachsig netzartig gespannte strangförmige Verstärkungselemente aufweist. Eine solche Anordnung der einzelnen Stränge, deren mehrachsige Übereinanderlagerung, Variation von Querschnitt und Material auch unterschiedlicher Stränge erlaubt eine Vielzahl von Variationen der Verstärkungsstrukturen.
Auch ist es denkbar, dass die Verstärkungsstruktur spulenförmig, spiralförmig oder mäanderförmig gewundene strangförmige Verstärkungselemente aufweist und dadurch entsprechende Funktionen wie Gewindebildung, wenn die strangförmigen Verstärkungselemente eine profilierte Querschnittsform, vorzugsweise einen typischen Querschnitt eines Gewindeprofils aufweisen, Dehnungsmessstreifen oder Spulen ermöglicht.
Weiterhin ist es denkbar, dass die Verstärkungsstrukturen derart beeinflussbar sind, dass sich ihre physikalischen Eigenschaften nach der Umformung reversibel ändern, vorzugsweise durch Stromdurchgang, Erwärmung, Relativgeschwindigkeit oder dgl., und sich ihre mechanischen Eigenschaften ändern. So könnte das Verbundwerkstück etwa als Stoßdämpfer bei der Verwendung einer thixotropen Zwischenschicht fungieren, bei der das Verbundwerkstück als Bauteil mit (an)steuerbarer Elastizität der Zwischenschicht fungiert. Auch ließen sich hierbei schwingungsdämpfende Zwischenschichten denken, durch die die Eigenfrequenz eines Verbundwerkstückes durch eine lokale Versteifung über die strangförmigen Verstärkungsstrukturen lokal geändert und damit das Schwingungsverhalten des Bauteils beeinflusst werden kann. Auch könnten an den randseitig des Verbundwerkstücks austretenden Verstärkungsstrukturen Geometrieelemente befestigt werden, die an dem Verbundwerkstück als Schwingungstilger wirken.
Weiterhin ist es denkbar, durch die Auswahl der Materialien für die Verstärkungsstrukturen die Verstärkungsstrukturen wärmeleitend oder auch magnetisch auszubilden. Hierdurch können gezielt Eigenschaften der Verstärkungsstrukturen und damit des gesamten Verbundwerkstücks geändert werden, je nach dem Einsatz des Verbundwerkstücks. Bei etwa rohrartig ausgebildeten Verstärkungsstrukturen ist es denkbar, dass diese mit einer Flüssigkeit gefüllt werden, die im Falle von Undichtigkeiten der rohrartigen Verstärkungsstrukturen etwa durch Überbelastungen des Verbundwerkstücks austritt und als Indikator für die Undichtigkeit sichtbar wird. Hierdurch kann eine Leckanalyse wesentlich vereinfacht und die Festigkeitseigenschaften einfach überprüft werden.
Ebenfalls ist es denkbar, dass die Verstärkungsstrukturen aus einer Formgedächtnislegierung gebildet sind, die bei Erwärmung in ihre Ausgangskonfiguration zurückgeht. Durch derartige Formgedächtnislegierungen kann eine Impuls-/Energie- absorption des Verbund Werkstücks gewährleistet werden, das als wiederverwendbares Bauteil nach einen Fahrzeugcrash wieder verwendet werden kann, da ein derartiges Bauteil seine Ursprungsform wieder annimmt, wenn an die Verstärkungsstrukturen Strom angelegt oder die Verstärkungsstrukturen erwärmt werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundwerkstücks sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:
Figur 1 - eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstücks nach der Umformung zweier Materialschichten mit dazwischen angeordneten Verstärkungsstrukturen in einer räumlichen Ansicht,
Figur 2a, 2b - eine geschnittene Ansicht des Schichtaufbaus des Verbundwerkstücks gemäß Figur 1 mit strangförmigen Verstärkungsstrukturen als Vollmaterial und als hohles Rohrmaterial,
Figur 3a, 3b - schematischer Ablaufplan für ein mehrstufiges Erzeugen (Figur 3a) und ein einstufiges Erzeugen (Figur 3b) des Verbundwerkstücks gemäß Figur 1 mittels Ziehverfahren,
Figur 4 schematische Darstellungen für ein einstufiges Erzeugen des Verbundwerkstücks gemäß Figur 1 mittels unterschiedlicher Verfahren der asymmetrischen inkrementellen Blechumformung, schematischer Ablaufplan für ein mehrstufiges Erzeugen des Verbundwerkstücks gemäß Figur 1 mittels Verfahren der asymmetrischen inkrementellen Blechumformung, schematische Darstellung eines umformtechnischen Schließens des Randes des Verbundwerkstücks mittels Umbördeln (Figur 5b) oder Ausbildung einer umlaufenden Sicke (Figur 5c)
Verbundwerkstück mit eingelegten verlorenen Verstärkungsstrukturen vor und nach dem Entfernen der Verstärkungsstrukturen,
Darstellung des typischen Ablaufs der Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstücks mittels eines Drückverfahrens nach DIN 8584-4 bzw. DIN 8583-2,
Darstellung des Ausgangszustands von platinenförmigen Materialzuschnitten für das Drücken eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstücks gemäß Figur 7 sowie umgeformter Zustand eines zylinderförmigen Verbundwerkstücks,
Zuführwerkzeug für strangförmige Verstärkungsstrukturen in Form von Drähten zu einer Drückbearbeitung gemäß Figur 7,
Bearbeitungsvorgang beim Einziehen eines Rohres nach DIN 8584-4 in Form eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstücks,
Darstellung des Ausgangszustands von rohrförmigem Ausgangsmaterial und in Umfangsrichtung angeordneten Verstärkungsstrukturen für das Einziehen eines Rohres gemäß Figur 11 sowie umgeformter Zustand im eingezogenen Bereich des so erzeugten Verbundwerkstücks,
Figur 13 a-b - Darstellung des Ausgangszustands von rohrförmigem Ausgangsmaterial und in Längsrichtung angeordneten Verstärkungsstrukturen für das Einziehen eines Rohres gemäß Figur 11 sowie umgeformter Zu- stand im eingezogenen Bereich des so erzeugten Verbundwerkstücks,
Figur 14 a - Bearbeitungsvorgang beim Drückwalzen eines Rohres nach DIN
8583-2 in Form eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstücks,
Figur 14 b-c - Darstellung des Ausgangszustands von rohrförmigem Ausgangsmaterial und in Umfangsrichtung angeordneten Verstärkungsstrukturen für das Drückwalzen eines Rohres gemäß Figur 14a sowie umgeformter Zustand des so erzeugten Verbundwerkstücks.
In der Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstücks 1 nach der Umformung zweier Materialschichten 2, 3 mit dazwischen angeordneten Verstärkungsstrukturen 4 in einer räumlichen Ansicht dargestellt. Die beiden in einer Ausgangskonfiguration ebenen Materialschichten 2, 3 bestehen aus einer Oberschale 2 und einer darunter angeordneten Unterschale 3 etwa aus Blechplatinen oder auch aus Kunststoffmaterialien oder sonstigen umformtechnisch verformbaren Materialien. Die Oberschale 2 und die Unterschale 3 werden durch ein nur schematisch angedeutetes Werkzeug 8 in einem umgeformten Bereich 5 umgeformt und ändern dadurch ihre geometrische Gestalt. Die tatsächliche Umformung kann geometrisch wesentlich komplexer als in den Figuren angedeutet gestaltet sein.
Zwischen der Oberschale 2 und der Unterschale 3 sind strangförmige Verstärkungsstrukturen 4 angeordnet, die in der Figur 1 etwa in Form eines gitterartigen Netzes dargestellt sind. Diese strangförmigen Verstärkungsstrukturen 4 bestehen etwa aus Drähten, Litzen, Seilen, Rohren, Kabeln oder sonstigen längserstreckten Bauteilen, die in einer ein- oder mehrachsigen Anordnung wie hier als Gitter zueinander angeordnet sind und ganz oder teilweise den Bereich zwischen der Oberschale 2 und der Unterschale 3 abdeckend zwischen Oberschale 2 und der Unterschale 3 angeordnet werden. Diese Verstärkungsstrukturen 4 dienen ähnlich wie der Bewehrungsstahl bei einem Stahlbetonbauteil zur Verstärkung des Verbundwerkstücks 1 , das aus der Schichtung von Oberschale 2 und Unterschale 3 mit den dazwischen angeordneten Verstärkungsstrukturen 4 durch Umformung gebildet wird. Die Verstärkungsstrukturen 4 werden dabei in noch nachstehend beschriebener Weise durch die Umformung zwischen Oberschale 2 und Unterschale 3 festgelegt und bilden damit einen festen Verbund mit Oberschale 2 und Unterschale 3, wie dies in den Figuren 2a und 2b näher zu erkennen ist. Die geometrische Anordnung der einzelnen Stränge der strangförmigen Verstärkungsstrukturen 4 kann dabei sehr vielgestaltig ausgebildet und der jeweiligen Belastung des Verbundwerkstücks 1 oder sonstigen Anforderungen angepasst werden. Neben rein einachsigen, harfenartig angeordneten Verstärkungsstrukturen 4 sind Gitter, Mäander, Spiralen, gewindeartige Verläufe oder viele andere geometrische Konfigurationen möglich.
In den Bereichen von Oberschale 2 und Unterschale 3, in denen sich Verstärkungsstrukturen 4 befinden, werden Oberschale 2 und Unterschale 3 anders verformt als in den Bereichen, in denen keine angeordnet sind. Hierdurch bilden sich im Normalfall oberhalb und unterhalb der Verstärkungsstrukturen 4 Auswölbungen 6 der hier vor der Umformung ebenen Oberschale 2 und Unterschale 3, in denen die Verstärkungsstrukturen 4 aufgenommen und fixiert sind. Zusätzlich ist es denkbar, die Verstärkungsstrukturen 4 vor der Umformung an der Oberschale 2 oder der Unterschale 3 etwa durch Verschweißen oder Verkleben oder sonstige Befestigungstechniken festzulegen, sodass die Verstärkungsstrukturen 4 sich auch bei der Umformung relativ zu der Oberschale 2 und der Unterschale 3 nicht mehr verschieben können.
In der Figur 2a ist eine Verstärkungsstruktur 4 aus strangförmigen Verstärkungselementen 4 mit einem Vollquerschnitt abgebildet, in der Figur 2b sind die strangförmigen Verstärkungselemente 7 hingegen als hohle Röhrchen ausgestaltet. Hierdurch ist es nach der Umformung etwa möglich, Fluide durch die Verstärkungselemente 7 und damit durch das Innere des Verbundwerkstücks 1 zu leiten, etwa für Kühl- oder Heizzwecke.
In den Figuren 3a und 3b sind zwei unterschiedliche schematische Ablaufpläne für ein mehrstufiges Erzeugen (Figur 3a) und ein einstufiges Erzeugen (Figur 3b) des Verbundwerkstücks 1 gemäß Figur 1 mittels eines Ziehverfahrens dargestellt.
Es ist grundsätzlich denkbar, die Umformung der Oberschale 2 und der Unterschale 3 sowie der Verstärkungsstrukturen 4 in einem gemeinsamen Vorgang ablaufen zu lassen, wie dies in der Figur 3b dargestellt ist. Zuerst wird hierbei die Schichtung von Oberschale 2 und der Unterschale 3 sowie der Verstärkungsstrukturen 4 in der schon beschriebenen Weise vorgenommen und diese Schichtung dann durch ein nur schematisch angedeutetes Ziehwerkzeug 8 mit einer Hubbewegung 9 in einem nicht dargestellten Unterwerkzeug verformt. Oberschale 2, Unterschale 3 sowie Verstärkungsstrukturen 4 werden dabei gleichzeitig und gleichartig wie beschrieben verformt und bilden dann das Verbundwerkstück 1.
Gemäß Figur 3a ist es aber auch denkbar, diese Umformung zweistufig auszuführen, wobei etwa die Unterschale 3 vorab separat durch das Werkzeug 8 umgeformt wird und die in Figur 3a erkennbare umgeformte Konfiguration 3 ' einnimmt, die im verformten Bereich 5 eine dem Werkzeug 8 entsprechende napfförmige Vertiefung aufweist. Erst danach werden die Verstärkungsstrukturen 4 hier in Form des Gitters über der Unterschale 3 aufgespannt und darüber dann die Oberschale 2 angeordnet. Oberschale 2 und Verstärkungsstrukturen 4 werden dann in die Form der Unterschale 3 umgeformt oder auch noch ein Stück gemeinsam mit der Unterschale 3 weiter umgeformt, sodass sich wieder das Verbundwerkstück 1 bildet. Eine solche Vorgehensweise kann z.B. dann vorteilhaft sein, wenn etwa das Material der Unterschale 3 schwerer umzuformen ist als das Material von Oberschale 2 und Verstärkungsstrukturen 4.
In der Figur 4 sind oben drei verschiedene schematische Darstellungen für ein einstufiges Erzeugen des Verbundwerkstücks gemäß Figur 1 mittels unterschiedlicher Verfahren der asymmetrischen inkrementellen Blechumformung dargestellt, bei denen Oberschale 2, Unterschale 3 sowie die Verstärkungsstrukturen 4 sukzessive nacheinander verformt werden. Derartige alternativ anwendbare Verfahren der a- symmetrischen inkrementellen Blechumformung sind grundsätzlich bekannt und sollen hier nicht weiter erläutert werden. In der linken Darstellung ist das sog. SPIF Single Point Incremental Forming, in der mittleren Darstellung das sog. TPIF Two Point Incremental Forming und in der rechten Darstellung das sog. KISF Kinematic Incremental Sheet Forming abgebildet.
Im einfachsten Fall des SPIF Single Point Incremental Forming wird eine geschichtete Anordnung aus Oberschale 2, Unterschale 3 sowie die Verstärkungsstrukturen 4 über einen umlaufenden Niederhalter 11 in einem geklemmten Bereich 10 festgehalten und mit einem einzelnen stiftartigen Werkzeug 8 sukzessive verformt, das entlang vorgebbarer Bahnen über die geschichtete Anordnung aus Oberschale 2, Un- terschale 3 sowie die Verstärkungsstrukturen 4 hinwegfährt und diese Anordnung punktuell und lokal verformt. Nach Abfahren aller Bahnen ergibt sich dann wieder, wie schon beschrieben, das darunter dargestellte aufgebaute Verbund Werkstück 1.
Es ist auch möglich, wie in der mittleren Abbildung des TPIF Two Point Incremental Forming dargestellt, die Verformung der geschichteten Anordnung aus Oberschale 2, Unterschale 3 sowie die Verstärkungsstrukturen 4 mithilfe des Werkzeugs 8 gegenüber einer feststehenden Gegenform 12 auszuführen, wodurch eine maßhaltigere Endform des Verbundwerkstücks 1 erreicht werden kann.
Wiederum alternativ kann auch beim KISF Kinematic Incremental Sheet Forming gemäß der rechten Darstellung mit einem ebenfalls bewegten Gegenwerkzeug 8 ' die Gegenformung zu dem Werkzeug 8 vorgenommen werden, wodurch eine höhere Flexibilität der Verformung auch ohne ein festes Gegenwerkzeug 12 erreicht werden kann.
In der Figur 5a ist ein grundsätzlich denkbarer Ablauf für ein mehrstufiges Erzeugen des Verbundwerkstücks 1 gemäß Figur 1 mittels eines der Verfahren der asymmetrischen inkrementellen Blechumformung dargestellt, wobei der Ablauf mit Ausnahme der eigentlichen Umformung dem Ablauf gemäß Figur 3a entspricht und daher auf die Figur 3a Bezug genommen werden kann. Die Unterschale 3 wird hierbei vorab durch das Werkzeug 8 im Bereich 5 vorweg verformt und anschließend werden die Verstärkungsstrukturen 4 sowie die Oberschale 2 darüber angeordnet. Wiederum bewegt sich das Werkzeug 8 dann entlang entsprechender Umformbahnen und verformt sukzessive die geschichtete Anordnung aus Oberschale 2, Unterschale 3 sowie die Verstärkungsstrukturen 4 zum Verbundwerkstück 1.
In den Figuren 5b und 5c ist schematisch dargestellt, wie umformtechnisch ein Schließen des Randes des Verbundwerkstücks 1 mittels Umbördeln (Figur 5b) oder Ausbildung einer umlaufenden Sicke (Figur 5c) erfolgen kann. Aufgrund der in den Figuren 2a und 2b erkennbaren Querschnittsgestaltung des Verbundwerkstücks 1 kann es für Anwendungen des Verbundwerkstücks 1 wichtig sein, die im Bereich der Auswölbungen 6 unvermeidbaren spaltförmigen Öffnungen 28 nach außen zu schließen, damit z.B. Umgebungsmedien nicht in das Innere der Schichtung des Verbundwerkstücks 1 eindringen und dort schädliche Wirkungen wie etwa Korrosion hervorrufen können. Hierzu ist es gemäß Figur 5b denkbar, dass ein Bördelwerkzeug 14 die Ränder 16 des Verbundwerkstücks 1 umbördelt und damit die spaltförmigen Öffnungen 28 schließt. In anderer Ausgestaltung kann gemäß Figur 5c das Werkzeug 8 zum Abschluss der Umformung des Verbundwerkstücks 1 kantennah eine Sicke 15 entlang der Ränder des Verbundwerkstücks 1 ausbilden, die ebenfalls ein Eindringen von Umgebungsmedien in das Innere der Schichtung des Verbundwerkstücks 1 verhindern hilft.
In den Figuren 6a und 6b ist der geschichtete Aufbau eines Verbundwerkstücks 1 mit eingelegten verlorenen Verstärkungsstrukturen 4 vor und nach dem Entfernen der Verstärkungsstrukturen 4 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens ist es denkbar, dass einige oder auch alle Verstärkungsstrukturen 4 nach dem Einbetten in die Schichtung aus Oberschale 2 und Unterschale 3 wieder entfernt werden, um Platz für Kavitäten 17 im Bereich der bei der Umformung gebildeten Auswölbungen 6 zu schaffen. Hierzu können für die strangförmigen Verstärkungselemente 4 der Verstärkungsstrukturen 4 etwa Materialien verwendet werden, die bei einer Erhitzung des Verbundwerkstücks 1 schmelzen und, wie aus der Gießereitechnik grundsätzlich bekannt, als verlorener Kern aus dem Inneren des Verbundwerkstücks 1 ausfließen. Zurück bleiben die Kavitäten 17, die dann z.B. zum Durchfließen von Fluiden genutzt werden können.
In der Figur 7 ist eine andere Alternative zur Umformung erfindungsgemäßer Verbundwerkstücke 1 in Form einer Darstellung des typischen Ablaufs der Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstücks 1 mittels eines Drückverfahrens nach DIN 8584-4 bzw. DIN 8583-2 zu erkennen. Auch diese Drückbearbeitung ist grundsätzlich bekannt und soll daher hier nur insoweit erläutert werden, wie dies für das Verständnis der vorliegenden Erfindung von Belang ist.
Anstelle eines herkömmlichen einschichtigen Rohlings wird eine geschichtete Anordnung aus Oberschale 2, Unterschale 3 sowie den Verstärkungsstrukturen 4 durch den Reitstock 18 gegen das Drückfutter 21 gedrückt und von einer auf einem Support 19 beweglich gelagerten Drückwalze 20 verformt, die entlang der Bahnen 22 bewegt wird. Die Verstärkungsstrukturen 4 sind hierbei z.B. radial vom Mittelpunkt von Oberschale 2 und Unterschale 3 weggerichtet angeordnet, wie dies in der Ein- zelheit Z und der Figur 8 besser zu erkennen ist. Mit dem Ausführen der Umformung orientieren sich die Verstärkungsstrukturen 4 dann radial in Richtung des Umfangs des Verbundwerkstücks 1 an, wie dies für den Fall eines zylindrischen Drückfutters 21 in der Figur 9 erkennbar ist. Dadurch sind sowohl die zylindrischen Wandungen als auch der Bodenbereich des gedrückten Verbundwerkstücks 1 durch die Verstärkungsstrukturen 4 verstärkt.
Werden die einzelnen Stränge der Verstärkungsstrukturen 4 gemäß der Figur 7 radial angeordnet und zwischen Oberschale 2 und Unterschale 3 zugeführt, so kann ein Zuführwerkzeug aus einem feststehenden Außenring 24 und einem sich mitdrehenden Innenring 25 hilfreich sein, was in der Figur 10 dargestellt ist. In dem Innenring 25 sind axiale Öffnungen 26 am Außenumfang angeordnet, durch die die einzelnen Stränge der Verstärkungsstrukturen 4 durchgefädelt und bei der Drehung des Drückfutters 21 gehalten sind. Dadurch sind die Verstärkungsstrukturen 4 bei der Umformung sicher gehalten und die einzelnen Stränge 4 können passgenau zueinander angeordnet werden.
In der Figur 11 ist ein der Drückbearbeitung gemäß Figur 7 ähnelnder Bearbeitungsvorgang beim Einziehen eines Rohres nach DIN 8584-4 in Form eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstücks 1 dargestellt, bei dem die Oberschale 2 und die Unterschale 3 jeweils aus maßlich aufeinander abgestimmten Rohren gebildet ist. In der Figur 11 ist oberhalb der Drehachse des Spannfutters 27 der Ausgangszustand vor der Verformung zu dem Verbundwerkstück 1 und unterhalb nach der Verformung zu dem Verbundwerkstück 1 dargestellt.
Die beiden Oberschale 2 und Unterschale 3 bildenden Rohre weisen eine derartige Durchmesserdifferenz auf, dass die Rohre unter Zwischenordnung der hier in Um- fangsrichtung umlaufend angeordneten Verstärkungsstrukturen 4 ineinandergesteckt werden können und die Verformung von Oberschale 2 und Unterschale 3 mit der Drückwalze 20 entlang der Bahnen 22 zu der schon beschriebenen Verbundbildung führt. Diese Ausgangssituation der Zuordnung von Oberschale 2 und Unterschale 3 sowie Verstärkungsstrukturen 4 vor der Umformung ist in der Figur 12a noch einmal vergrößert dargestellt. Nach der lokalen Verformung des Rohres durch das Einziehen ergibt sich lokal eine Reduzierung des Durchmessers von Oberschale 2 und Un- terschale 3, wie dies in der Figur 12b vergrößert in einem Ausschnitt zu erkennen ist. Denkbar ist hierbei, dass die Stränge der strangförmigen Verstärkungsstrukturen 4 nicht nur genau in Umfangsrichtung ausgerichtet werden, sondern ggf. auch schräg zur Drehachse des Spannfutters 27 gespannt werden und dann nach der Umformung mit einer Steigung spiralförmig zu dem Umfang des Verbundwerkstücks 1 verlaufen.
Wie in den Figuren 13 a und 13b noch vergrößert zu erkennen ist, können bei der Bearbeitung der rohrförmigen Oberschale 2 und Unterschale 3 die strangförmigen Verstärkungselemente 4 auch in axialer Längsrichtung angeordnet werden.
In der Figur 14a ist ein der Bearbeitung gemäß Figur 11 sehr ähnlicher Bearbeitungsvorgang beim Drückwalzen eines Rohres nach DIN 8583-2 in Form eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstücks 1 dargestellt, bei dem keine Einziehung des Verbundwerkstücks 1 vorgenommen, sondern ein rohrförmiges Verbundwerkstück 1 gleichen Durchmessers erzeugt wird. Hierbei ist wieder in den Figuren 14 b und 14c der Ausgangszustand des rohrförmigen Ausgangsmaterials und in Umfangsrichtung angeordneter Verstärkungsstrukturen 4 für das Drückwalzen eines Rohres gemäß Figur 14a sowie der umgeformte Zustand des so erzeugten Verbundwerkstücks 1 in vergrößerter Darstellung angegeben.
Literaturverzeichnis:
[1] Schomäcker, M.„Verbundstrangpressen von Aluminiumprofilen mit endlosen metallischen Verstärkungselementen." Dissertation Universität Dortmund, 2006
[2] Köhler:„Plattiertes Stahlblech." In: "Technical bulletin SIZ" Wickeder Westfalenstahl, (2004).
[3] Kleiner et al.:„Hydroforming of Partially Cladded Double Blanks." 25th IDDRG Int. Deep Drawing Research Group Conf. 2006, 19.-21.6.2006, Porto (Portugal), (2006).
[4] Jeswiet et al.:„Asymmetrie Single Point Incremental Forming of Sheet Metal", Annais of CIRP Vol. 54/2/2005; pp 623 - 650.
[5] Jackson, K.P. et al..:„ Incremental forming of sandwich panels." Journal of Materials Processing Technology 204 (2008) 290-303
[6] Wong et al..:„A review of spinning, shear forming and flow forming processes.", International Journal of Machine Tools & Manufacture 43 (2003) 1419-1435
[7] Emmens et al.: "The Technology of Incremental Sheet Forming - A brief review of the history", Journal of Materials Processing Technology 210 (2010) 981-997
Sachnummern liste
- Verbundwerkstück
- Oberschale
- Unterschale
- strangförmige Verstärkungsstruktur/Funktionselement
- umgeformter Bereich
- Auswölbungen
- strangförmige Verstärkungsstruktur mit rohrformigem Querschnitt
- Umformwerkzeug
- Umform beweg ung
- Niederhalter/Blecheinspannung
- Niederhalter/Führung der Blecheinspannung
- Gegenform
- Grundplatte
- Bördelwerkzeug
- Sicke
- umgebördelter Kantenbereich
- Kavitäten
- Reitstock
- Support
- Drückwalze
- Drückfutter
- Bahn Drückwalze
- Tragarm
- feststehender Außenring
- sich drehender Innenring
- Führungsöffnung
- Spannfutter
- spaltförmige Öffnung
- Zuführung Funktionselement
- verlorenes Element z.B. aus Wachs zur Erzeugung von Kavitäten