DE10136433A1 - Blechumformteil mit lokaler Verstärkung in Sandwichbauweise - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Blechumformteil in Leichtbauweise, das durch in einem Warmumformprozeß geformt wird und mit einem festigkeitserhöhenden Versteifungsbereich versehen ist. Erfindungsgemäß weist das Blechumformteil im Versteifungsbereich eine im Zuge der Warmumformung geformte lokale Sandwichstruktur auf, bei der zwischen einem dem Basisblech und einem kleineren, den Versteifungsbereich überspannenden Verstärkungsblech ein Hohlraum gebildet ist, in welchem ein Zwischenelement geringerer spezifischer Dichte angeordnet ist. Das Zwischenelement besteht vorzugsweise aus einem Glaskörper oder einer Glasfasermatte.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Blechumformteil, insbesondere ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er beispielsweise aus der (Patentanmeldung DE 100 49 660.1) als bekannt hervorgeht, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Blechumformteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.
• Aus der (Patentanmeldung DE 100 49 660.1) ist ein Verfahren zur Herstellung von Strukturbauteilen bekannt, welche in lokal begrenzten Bereichen mit festigkeitserhöhenden Verstärkungsblechen versehen sind. Das dort beschriebene Verfahren sieht vor, eine das Basisblech des Strukturbauteils bildende Platine im Flachzustand oder in einem unvollständig umgeformten Vorverformungszustand mit einem kleineren Verstärkungsblech lokal zu verbinden und das dadurch gebildete gepatchte Verbundblech anschließend in einem Warmumformungsprozeß zu dem Strukturbauteil umzuformen. Der Warmumformungsprozeß umfaßt zunächst eine Erwärmung des gepatchten Verbundblechs auf eine oberhalb der Umformtemperatur des Werkstoffs liegende Temperatur, anschließend eine Umformung des gepatchten Verbundblechs im Warmzustand in die gewünschte Bauteilform, und schließlich eine Abkühlung unter mechanischer Fixierung des gewünschten Umformzustands. Mit Hilfe dieses Warmumformverfahrens können - auch bei Einsatz hochfester Werkstoffe - hohe Umformgrade realisiert werden, und es können innerhalb weiter Grenzen beliebige Verstärkungsgrade des Basisblechs erreicht werden. Weiterhin ist aufgrund der Warmumformung das Rückfederungsverhalten der Blechteile nach dem Umformprozeß vernachlässigbar gering, was die Fertigungsgenauigkeit erhöht.
• Neben der Erhöhung der lokalen Festigkeit eines Bauteils ist es oft wünschenswert, selektiv die Steifigkeit ausgewählter Bereiche zu erhöhen. Dies läßt sich mit Hilfe des aus der (Patentanmeldung DE 100 49 660.1) bekannten Verfahrens erreichen, wenn in den betroffenen Bereichen eine mehrlagige Verstärkung aus mehreren übereinandergelegten, unterschiedlich großen Verstärkungsblechen vorgesehen wird, bei der die Verstärkung von ihrem Außenrand her entsprechend der Lagenzahl stufenweise ansteigt. Allerdings bringt eine solche Verstärkung aus mehreren aufeinandergelegten Lagen ein erhebliches Mehrgewicht mit sich und ist daher unter Leichtbaugesichtspunkten ungünstig.
• Eine wesentlich gewichtsgünstigere Erhöhung der lokale Steifigkeit/Festigkeit des Blechbauteils kann erreicht werden, wenn das Verstärkungsblech vor dem Verbinden mit dem Basisblech mit steifigkeitserhöhenden Verstärkungsrippen und/oder Sicken versehen wird. Das auf diese Weise profilierte Verstärkungsblech wird dann gemeinsam mit dem Basisblech umgeformt, um das fertige Bauteil zu erzeugen; ein Beispiel hierfür ist z. B. aus der DE 43 07 563 A1 bekannt. Allerdings müssen in diesem Fall beim gemeinsamen Umformen im Umformwerkzeug den Rippen bzw. Sicken entsprechende Aussparungen vorgesehen sein, damit die Rippen bzw. Sicken während des Umformens nicht zerdrückt werden. Eine solche Verstärkung kann daher nur in Bereichen angewendet werden, die vom Umformprozeß ausgespart werden; umzuformende Bereiche können durch eine solche Profilierung des Verstärkungsblech nicht mit einem erhöhten Steifigkeit/Festigkeit versehen werden.
• Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die lokale Festigkeit/Steifigkeit eines gattungsgemäßen Leichtbau-Blechbauteils in gewichtssparender Weise weiter zu erhöhen, wobei die Festigkeits-/Steifigkeitserhöhungen beliebige Bereiche dieses Bauteils überspannen können. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Blechbauteils vorgeschlagen werden.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst.
• Danach ist zwischen dem Basisblech und dem Verstärkungsblech ein Zwischenelement geringerer spezifischer Dichte angeordnet, durch welches in einem örtlich begrenzten Bereich zwischen Basisblech und Verstärkungsblech ein mehrschichtiger Verbund in Sandwichbauweise gebildet ist. Das so gebildete örtlich begrenzte Sandwichelement umfaßt zwei Deckbleche aus einem relativ festen Material - in diesem Fall das Basisblech und das Verstärkungsblech -, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen ihnen mit einer Zwischenschicht aus einem Werkstoff geringer spezifischer Dichte - nämlich dem Zwischenelement - ausgefüllt ist. Ein Bauteil mit einem solchen lokalen Sandwichelement hat gegenüber der Massivwandausführung bei vergleichbarer Festigkeit den Vorteil, daß seine Masse erheblich reduziert sowie eine bessere Formsteifigkeit und eine bessere Schalldämmung erreicht wird. Im Vergleich zu einer Massivverstärkung des zu versteifenden Bereiches kann durch ein Sandwichelements daher einerseits eine Gewichtsersparnis, andererseits eine verbesserte Abschirmung von Außengeräuschen erzielt werden. Anwendungen für diese Erfindung im Fahrzeugbau betreffen vor allem Strukturbauteile der Karosserie (z. B. B-Säule, Seitenwand etc.), die mit Versteifungsbereichen versehen werden müssen, um Schwachstellen (z. B. bei einer Crashbelastung im Seitenaufprall) zu beheben.
• Die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils mit einer örtlich erhöhten Festigkeit/Steifigkeit geht aus von einem Basisblech - im Flachzustand oder in einem unvollständigen Verformungszustand -, einem kleineren, lokal angeordneten Verstärkungsblech und einem Zwischenelement geringerer spezifischer Dichte. Vorzugsweise ist das Zwischenelement kleiner als das Verstärkungsblech, so daß der Rand des Verstärkungsblechs in Zusammenbaulage in allen Richtungen über den Rand des Zwischenelements hervorsteht. Zur Herstellung des Bauteils aus den Einzelelementen wird das Zwischenelement an der für die Versteifungsstruktur vorbestimmten Stelle zwischen Basisblech und Verstärkungsblech eingelegt, woraufhin die beiden Bleche verbunden werden. Das so gebildete gepatchte Verbundblech wird anschließend einer Warmumformung unterzogen. Dabei wird der Verbund zunächst auf eine Temperatur erwärmt, welche oberhalb der Umformtemperatur der Werkstoffe der Deckbleche liegt. Dann wird der Verbund im Warmzustand in ein Umformwerkzeug eingelegt und die gewünschte Form umgeformt und schließlich unter mechanischer Fixierung des gewünschten Umformzustands abgekühlt (siehe Anspruch 3).
• Um eine kraftarme, reproduzierbare Warmumformung des Verbundblechs zu erreichen und um die Erzeugung qualitativ hochwertiger Umformteile sicherstellen zu können, ist es wichtig, daß das Zwischenelement während des Warmumformschritts in einem duktilen Zustand ist. Dies ist z. B. dann gegeben, wenn das Zwischenelement aus einem Werkstoff besteht, dessen Umformtemperatur in einem ähnlichen Temperaturbereich liegt wie die Umformtemperatur von Basis- und Verstärkungsblech.
• In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Zwischenelement ein Formkörper aus Glas (siehe Anspruch 4). Glas ist ein preiswerter, leicht zugänglicher Werkstoff, der mit einer spezifischen Dichte von etwa 2,5 bis 2,7 g/cm³ wesentlich leichter ist als z. B. Stahlblech (mit einer Dichte von etwa 8 g/cm³): Ein Verstärkungsbereich in Sandwichbauweise, bestehend aus zwei Deckblechen aus Stahl mit je 0,7 mm Dicke und einem Glas-Zwischenelement mit 1,4 mm Dicke, weist eine ähnliche Steifigkeit/Festigkeit auf wie ein konventioneller (d. h. aus Stahlblech bestehender) Verstärkungsbereich gleicher Gesamtdicke, geht jedoch einher mit einer Gewichtseinsparung von mehr als 30%. Je nach verwendeter Glassorte liegt der Schmelzpunkt des Formkörpers zwischen etwa 700°C und über 900°C. Zweckmäßigerweise wird für das Zwischenelement - dem Anwendungsfall entsprechend - eine geeignete Glassorte ausgewählt, die bei der zu erreichenden Warmumformungstemperatur eine teigige, zähfließende Konsistenz aufweist, so daß der gläserne Formkörper während der Warmumformung gemeinsam mit Basis- und Verstärkungsblech kraftarm verformt werden kann.
• Ein Formkörper aus Glas ist insbesondere geeignet als Zwischenelement für Bleche aus einem Stahlwerkstoff; in diesem Fall erfolgt die Warmumformung vorteilhafterweise oberhalb der Gefügeumwandlungstemperatur des Stahlwerkstoffs, oberhalb derer das Werkstoffgefüge in austenitischem Zustand vorliegt. Dadurch ist eine Wärmebehandlung des Werkstoffes durch gezielte Abkühlung und somit eine Einstellung der dadurch erzielbaren Werkstoff- Festigkeit möglich. Je nach Stahlsorte liegt die Gefügeumwandlungstemperatur zwischen 850°C und 930°C (siehe Anspruch 7). Die Glassorte des Zwischenelements wird dann so gewählt, daß das Zwischenelement in dem betreffenden Temperaturbereich verformbar ist, also eine teigige Konsistenz aufweist.
• Ein weiterer Vorteil von Glas als Werkstoff für das Zwischenelement besteht in dem Wärmeexpansionskoeffizienten von Glas, der geringer ist als derjenige von Stahlblech: Beim Abkühlen des geformten Bauteils aus der Umformtemperatur schrumpft das geformte Zwischenelement weniger stark als die benachbarten Deckbleche, so daß das Zwischenelement bei Raumtemperatur fest zwischen Basis- und Verstärkungsblech eingespannt ist. Dadurch werden klappernde Geräusche verhindert, welche ansonsten im späteren Betrieb entstehen könnten, wenn das Zwischenelement im Hohlraum zwischen den Blechen herumgeschüttelt würde.
• Die Verwendung eines gläsernen Formkörpers als Zwischenelement bietet zusätzlich die Möglichkeit einer spezifischen, lokal begrenzten Wärmebehandlung der Versteifungsstruktur: Aufgrund der hohen Wärmekapazität von Glas erfolgt während der Abkühlung des Bauteils nach der Warmumformung der Rückfluß der Wärme aus dem Glas verhältnismäßig langsam; dieser Effekt kann genutzt werden, um im Zuge des Abkühlens ein lokal begrenztes, reproduzierbares Anlassen der Bleche im Versteifungsbereich zu erreichen und dadurch z. B. die Bruchdehnung dieses Bereiches - der Anwendung entsprechend - gezielt zu erhöhen.
• Um zu vermeiden, daß der teigige Formkörper aus Glas während des Warmumformens aus dem vorgesehenen Verstärkungsbereich herausgequetscht wird, muß in Zusammenbaulage des gepatchten Verbundblechs der Rand des Verstärkungsblechs allseitig über den Rand des Zwischenelements hinausragen, und der Rand des Verstärkungsblechs muß mit dem Basisblech in einer solchen Weise verbunden sein, daß zwischen Basisblech und Verstärkungsblech nur ein geringer Spalt vorliegt. Zwischen Basisblech und Verstärkungsblech ist in diesem Fall ein geschlossener Hohlraum gebildet, der das Verstärkungselement aufnimmt (siehe Anspruch 2).
• Besteht das Verstärkungsblech aus dünnem Blech, und weist der Formkörper eine einfache Geometrie auf, so kann - im Zuge der Herstellung des gepatchten Verbundblechs vor der Warmumformung - der gläserne Formkörper zwischen Basisblech und Verstärkungsblech eingelegt werden und der Rand des Verstärkungsblechs anschließend - z. B. durch Spannmittel oder auch durch die Kraft von Punktschweißzangen - so in Richtung Basisblech gebogen werden, daß der Rand des Verstärkungsblechs abschnittsweise auf dem Basisblech aufliegt und mit diesem verbunden werden kann. Das eigentliche Verbinden von Verstärkungsblech und Basisblech kann durch Punktschweißen, Clinchen oder auch durch eine umlaufende Laserschweißnaht erfolgen. Zweckmäßigerweise wird das Fügeverfahren so ausgewählt, daß es keine Oberflächenstruktur auf dem Basisblech hinterläßt; dies ist insbesondere dann wichtig, wenn aus dem gepatchten Verbundblech durch die Warmumformung ein Bauteil mit einer qualitativ hochwertigen Oberfläche, z. B. ein Außenhautteil einer Fahrzeugkarosserie, hergestellt werden soll.
• Werden Formkörper größerer Dicke oder komplexerer Geometrie verwendet, oder weisen Verstärkungsblech und Basisblech eine höhere Blechdicke auf, so wird das Verstärkungsblech vorteilhafterweise vor der Verbindung mit dem Basisblech in einem Vorbearbeitungsschritt zu einer schalenförmigen Geometrie vorgeformt, um den Formkörper aufnehmen zu können (siehe Anspruch 6); die Ränder des Verstärkungsblechs werden dabei in einer solchen Weise gebogen bzw. gezogen, daß sie in Zusammenbaulage des Verbundblechs abschnittsweise flächig auf dem Basisblech aufliegen. Das Zwischenelement wird in den Hohlraum zwischen Basis- und Verstärkungsblech eingelegt, die beiden Bleche werden im Randbereich des Verstärkungsblechs miteinander verbunden, und aus dem so gebildeten gepatchten Verbundblech wird in dem oben beschriebenen Warmumformprozeß das Umformteil geformt.
• Alternativ zur Verwendung eines vorgeformten massiven Glaskörpers kann das Zwischenelement hergestellt werden, indem der Werkstoff des Zwischenelements - z. B. die gewählte Glassorte - im flüssigem Aggregatzustand in die Mulde eines schalenförmig vorgeformten Verstärkungsbleches eingegossen wird. Nach dem Erstarren bildet das gläserne Eingußelement dann einen Formkörper, der der Geometrie der Mulde auf dem Verstärkungsblech (und somit auch dem Hohlraums zwischen Basisblech und Verstärkungsblech) genau angepaßt ist. Vom Verfahrensablauf her ist es günstig, das Eingießen des Glases in das vorgeformte Verstärkungsblech unmittelbar vor dem Fügen des gepatchten Verbundblechs und anschließenden Aufheizen auf Warmumformtemperatur vorzunehmen, um die Restwärme des erhitzten Glases für den folgenden Aufwärmvorgang des gepatchten Verbundblechs ausnutzen zu können.
• Bezüglich der Festigkeit/Steifigkeit der erfindungsgemäßen Verstärkungsstruktur ist zu bemerken, daß das zwischen Basis- und Verstärkungsblech eingeschlossene gläserne Zwischenelement bei Raumtemperatur eine hohe Sprödigkeit besitzt und daher insbesondere bei Biegebelastungen sehr leicht bricht. Aufgrund seiner hohen Druckfestigkeit kann das Glas jedoch - auch im gebrochenen Zustand - den im Warmumformungsprozeß eingestellten Abstand zwischen Basis- und Verstärkungsblech im Versteifungsbereich aufrechterhalten. Der Versteifungsbereich sollte daher bezüglich Geometrie, Blechdicke und Abstand der Bleche so ausgelegt werden, daß die benötigte Versteifung allein aufgrund der Anordnung und des Abstands der beiden Bleche erreicht wird, so daß sichergestellt ist, daß die Versteifungsstruktur auch nach einem Bruch bzw. einem Zerbröseln des Zwischenelements im Betrieb eine ausreichende Steifigkeit/Festigkeit aufweist. Die Funktion des Zwischenelements besteht somit lediglich darin, als ein Abstandshalter zu fungieren, der - insbesondere während der Warmumformung - einen bestimmten vorgegebenen Abstand zwischen Basisblech und Verstärkungsblech sicherstellt; im späteren Betrieb kommt dem Zwischenelement keine eigene Rolle in bezug auf die Steifigkeitserhöhung im zu verstärkenden Bereich zu.
• Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, als Zwischenelement eine auf die gewünschte Form und Größe zugeschnittene Glasfasermatte zu verwenden (siehe Anspruch 5). Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr einfache Bereitstellung des Zwischenelements, das z. B. aus einem bahnförmig vorliegenden Ausgangsstoff direkt vor Ort zugeschnitten werden kann. Auch Formänderungen des Zwischenelements können auf diese Weise sehr schnell umgesetzt werden. Da eine Glasfasermatte auch bei niedrigen Temperaturen verformbar ist, ist die Anpassung der Werkstoffeigenschaften des Zwischenelements an die (durch die Werkstoffeigenschaften der Deckbleche vorgegebene) Warmumformtemperatur weit weniger kritisch als im Fall eines massiven Glaskörpers. Wird als Werkstoff für die Glasfasermatte eine Glassorte gewählt, deren Schmelzpunkt oberhalb der Warmumformtemperatur des gepatchten Verbundblechs liegt, so erfolgt während des Umformens kein Fließen des Glasfasermatten- Zwischenelements, und das Zwischenelement kann durch den Umformvorgang nicht aus dem vorgesehenen Verstärkungsbereich herausgequetscht werden. Daher braucht die Glasfasermatte - im Gegensatz zum massiven Glaskörper - nicht allseitig zwischen Basisblech und Verstärkungsblech eingeschlossen zu werden; es genügt vielmehr, die Glasfasermatte vor dem Umformvorgang gegenüber Basisblech und Verstärkungsblech zu fixieren.
• Um die hergestellten Umformteile im Kontaktbereich zwischen Basis- und Verstärkungsblech wirksam gegen Korrosion schützen zu können, wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vor dem Verbinden der beiden Bleche der Randbereich des Verstärkungsblechs mit einer korrosionshemmenden Beschichtung versehen (siehe Anspruch 8).
• Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigen:
• Fig. 1 eine perspektivische Schnittansicht eines Blechumformteils, das mit einer erfindungsgemäßen lokalen Versteifungsstruktur mit einem Zwischenelement aus Glas versehen ist;
• Fig. 2 eine Schemadarstellung der Verfahrensschritte beim Herstellen eines gepatchten Verbundblechs als Halbzeug zur Herstellung eines Blechumformteils:
  Fig. 2a Stapeln von Basisblech, Formkörper und Verstärkungsblech;
  Fig. 2b Verbinden von Basisblech und Verstärkungsblech;
• Fig. 3 eine Schemadarstellung eines alternativen Verfahrens zum Herstellen eines gepatchten Verbundblechs als Halbzeug zur Herstellung eines Blechumformteils:
  Fig. 3a Stapeln von Basisblech, Formkörper und vorgeformtem Verstärkungsblech;
  Fig. 3b Verbinden von Basisblech und Verstärkungsblech;
• Fig. 4 eine Schemadarstellung eines weiteren Verfahrens zum Herstellen eines gepatchten Verbundblechs als Halbzeug zur Herstellung eines Blechumformteils:
  Fig. 4a Stapeln von Basisblech, Glasfasermatte und Verstärkungsblech;
  Fig. 4b Verbinden von Basisblech und Verstärkungs- Blech.
• Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines räumlich geformten Blechumformteils 1, das in einem örtlich begrenzten Versteifungsbereich 2 mit einer lokalen festigkeitserhöhenden Verstärkungsstruktur versehen ist. Das Blechumformteil 1 besteht aus einem Basisblech 3 und aus einem kleineren, den Versteifungsbereich 2 überspannenden Verstärkungsblech 4. Zwischen diesen Blechen 3, 4 ist ein Zwischenelement 5 angeordnet, das bezüglich seiner Form und Größe dem Verstärkungsblech 4 in einer solchen Weise angepaßt ist, daß der Rand 6 des Verstärkungsblechs 4 allseitig über den Rand 7 des Zwischenelements 5 hinausragt. Das Verstärkungsblech 4 ist in einem Randbereich 8 durch eine (abschnittsweise) umlaufende Laserschweißnaht oder durch Schweißpunkte mit dem Basisblech 3 verbunden. Das Zwischenelement 5 befindet sich somit ein einem zwischen Verstärkungsblech 4 und Basisblech 3 gebildeten, örtlich begrenzten Hohlraum 9. Im vorliegenden Anwendungsfall bestehen Basis- und Verstärkungsblech 3, 4 aus Stahlblech und das Zwischenelement 5 aus Glas.
• Zur Herstellung des Blechumformteils 1 der Fig. 1 wird - ausgehend von einem Basisblech-Rohling 3' und einem Verstärkungsblech-Rohling 4' im Flachzustand sowie einem Formkörper 10 aus Glas (siehe Fig. 2a und 3a) ein gepatchtes Verbundblech 11 (siehe Fig. 2b und 3b) hergestellt. Hierzu wird der Formkörper 10 zunächst - z. B. mit Hilfe seitlich eingeführter Fixierstifte - in der gewünschten Lage und Position zwischen die beiden Blechrohlinge 3', 4' plaziert. Ist das Verstärkungsblech 4' hinreichend dünn und die Geometrie des Formkörpers 10 hinreichend einfach, so werden die Randbereiche 8' des flachen Verstärkungsblechs 4' anschließend mit Hilfe von Spannmitteln allseitig auf das Basisblech 3' hinuntergebogen, bis sie flächig auf dem Basisblech 3' aufliegen, und das Verstärkungsblech 4' wird im Randbereich 8' mit dem Basisblech 3' verbunden (siehe Fig. 2b). Als Fügeverfahren kommt hierbei vorzugsweise das Punktschweißen zum Einsatz, wobei die Schweißzangen als Spannmittel fungieren, die die Ränder 8' des Verstärkungsblech 4' auf das Basisblech 3' drücken und mit diesem verschweißen. Entlang des Randbereiches 8' werden mehrere Schweißpunkte 12 in einer solchen Weise gesetzt, daß der Rand 6' des Verstärkungsblechs 4' gegenüber dem Basisblech 3' nur einen geringen Spalt bildet. Das dabei gebildete gepatchte Verbundblech 11 weist dann in einem örtlich begrenzten Versteifungsbereich 2' eine Sandwichstruktur auf, bei der die beiden Deckbleche 3',4' einen Hohlraum 9' zueinander bilden, der (zumindest teilweise) durch den Formkörper 10 ausgefüllt ist.
• Alternativ zum Punktschweißen kann der Randbereich 8' des Verstärkungsblechs 4' mittels zusätzlicher Spannelemente auf das Basisblech 3' gedrückt werden und dann mit einer umlaufenden Laserschweißnaht (oder mehreren, an ausgewählten Randbereichen angebrachten Laserschweißnaht-Abschnitten) mit dem Basisblech 3' verbunden werden. Weiterhin kann der Randbereich 8' des Verstärkungsblechs 4' beispielsweise auch mit Hilfe eines Umformverfahrens, z. B. des Clinchens, mit dem Basisblech 3' verbunden werden.
• Das in Fig. 2a und 2b dargestellte Verfahren zur Herstellung des gepatchten Verbundblechs 11 eignet sich für Verstärkungsbleche 4' mit einer Blechdicke bis zu etwa 0,7 mm und für Formkörper 10 einer Dicke von etwa 1-2 mm. Sollen dickere Verstärkungsbleche 4' und/oder dickere Formkörper 10 verwendet werden, so empfiehlt es sich, das Verstärkungsblech 4' im Vorfeld muldenförmig zu verformen, so daß der Formkörper 10 während des Fügens der Randbereiche 8' des Verstärkungsblechs 4' mit dem Basisblech 3' in einer muldenförmigen Vertiefung 13 des Verstärkungsblechs 4' aufgenommen wird (siehe Fig. 3a und 3b); dadurch wird verhindert, daß beim Spannen/Fixieren und Verbinden des Verstärkungsblechs 4' allzu große Kräfte auf den gläsernen Formkörper 10 ausgeübt werden, die zu einem Brechen des Formkörpers 10 führen können.
• Weiterhin ist es möglich, die muldenförmige Vertiefung 13 des Verstärkungsblechs 4' (zumindest teilweise) mit flüssigem Glas auszugießen und somit ein Verbundelement aus Verstärkungsblech 4' und Formkörper 10 herzustellen, das dann mittels eines der oben beschriebenen Fügeverfahren im Randbereich 8' mit dem Basisblech 3' verbunden wird.
• Das aus Basisblech 3', Formkörper 10 und Verstärkungsblech 4' gebildete gepatchte Verbundblech 11 kann nun in einem folgenden Warmumformungsprozeß zu dem räumlich geformten Bauteil 1 der Fig. 1a umgeformt werden. Hierzu wird das gepatchte Verbundblech auf eine oberhalb der Umformtemperatur der Deckbleche 3', 4' liegende Umformtemperatur erwärmt, im Warmzustand mit Hilfe eines Umformwerkzeugs bei mäßiger Werkzeugbeanspruchung in die gewünschte Form umgeformt und anschließend unter mechanischer Fixierung des gewünschten Umformzustands in dem geschlossen gehaltenen Umformwerkzeug und/oder in einem anschließenden Fixier- und Beschneidewerkzeug definiert abgekühlt und dadurch gezielt wärmebehandelt. Bezüglich der verschiedenen Ausgestaltungen des Warmumformungsprozesses, Prozeßparameter etc. wird Bezug genommen auf die (Patentanmeldung DE 100 49 660.1), deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird.
• Im Zuge des Warmumformprozesses wird das gepatchte Verbundblech 11 auf eine Temperatur oberhalb der Gefügeumwandlungstemperatur der Deckbleche 3', 4' - für Stahlblech typischerweise zwischen 850°C und 930°C - erwärmt, oberhalb der das Werkstoffgefüge der Deckbleche 3', 4' im austenitischen Zustand vorliegt. Der zwischen den Deckblechen 3', 4' eingeschlossene Formkörper 10 besteht aus einer Glassorte mit einem Schmelzpunkt, der im Bereich der gewählten Warmumformtemperatur liegt, so daß der gläserne Formkörper 10 im erhitzten Zustand in einem teigigen, formbaren Zustand vorliegt. Bei der Umformung des erwärmten gepatchten Verbundblechs 11 im Umformwerkzeug verformt sich der Formkörper 10, der Umformung von Basis- und Verstärkungsblech 3', 4' folgend, füllt den zwischen Basis- und Verstärkungsblech 3', 4' gebildeten Hohlraum 9' und stellt somit sicher, daß Basis- und Verstärkungsblech 3', 4' im Versteifungsbereich 2 einen bestimmten Abstand zueinander aufweisen. Diese Relativlage von Basis- und Verstärkungsblech 3', 4' wird im darauffolgenden Abkühlschritt fixiert, bei dem das zum Bauteil 1 umgeformte gepatchte Verbundblech 11 im geschlossen gehaltenen Umformwerkzeug oder in einem Fixierwerkzeug definiert abgekühlt wird. Der zwischen den Deckblechen 3', 4' warmumgeformte Formkörper bildet im fertigen Bauteil 1 das Zwischenelement 5, das im Versteifungsbereich 2 einen vorgegebenen Abstand zwischen Basisblech 3 und Verstärkungsblech 4 sicherstellt.
• Um die Korrosionsanfälligkeit des Umformteils 1 im Versteifungsbereich 2 zu reduzieren, wird der Randbereich 8' des Verstärkungsblechs 4' an der dem Basisblech 3' zugewandten Seite und/oder der ihm gegenüberliegende Kontaktbereich 14 auf dem Basisblech 3' vor dem Verbinden der beiden Bleche 3', 4' mit einer korrosionshemmenden Beschichtung 15 versehen; eine solche Beschichtung 15 im Randbereich 8' des Verstärkungsblechs 4' und dem Kontaktbereich 14 des Basisblechs 3' ist in Fig. 2a schraffiert angedeutet. Beispielsweise kann der Randbereich 8' des Verstärkungsblechs 4' mit einem Hartlot beschichtet werden, das während des Erhitzens des gepatchten Verbunds 11 auf Umformtemperatur geschmolzen wird; während des Umformprozesses wird dann aufgrund der Verformung und des Zusammenpressens der Bleche 3', 4' eine innige Lötverbindung zwischen dem Randbereich 8' des Verstärkungsblechs 4' und dem Kontaktbereich 14 auf dem Basisblech 3' erzeugt. Diese umlaufende Lötverbindung verhindert später zuverlässig einen Feuchtigkeitszutritt in den Hohlraum 9 zwischen Basis- und Verstärkungsblech 3, 4 und bietet einen hochwertigen Korrosionsschutz. Statt des Hartlots kann der Randbereich 8' des Verstärkungsblechs 4' und/oder der ihm gegenüberliegende Kontaktbereich 14 auf dem Basisblech 3' vor dem Erwärmen und Umformen auch mit einer anorganischen, nichtmetallischen Beschichtung 15, z. B. Email, versehen werden, das vorzugsweise als Emulsion aufgetragen wird. Der Beschichtungswerkstoff wird so ausgewählt, daß seine Schmelztemperatur der Prozeßtemperatur des Umformvorgangs angepaßt ist. Beim Erwärmen des gepatchten Verbundblechs 11 schmilzt die Beschichtung 15, benetzt den Kontaktbereich 8', 14 zwischen Basis- und Verstärkungsblech 3', 4' und bildet im abgekühlten Zustand eine Barriere gegen das Eindringen von Feuchtigkeit in den Hohlraum 9 zwischen den Blechen 3, 4.
• Alternativ zu der Ausgestaltung des Zwischenelements 5 als massiver Glaskörper 10, der beim Erhitzen auf Umformtemperatur in einen teigigen Zustand übergeht, kann zur Herstellung des Zwischenelements 5 auch eine Glasfasermatte 16 verwendet werden, welche auf die Form und Größe des Versteifungsbereichs 2 zugeschnitten ist. Diese Glasfasermatte 16 wird zwischen Basisblech 3' und Verstärkungsblech 4' im Flachzustand eingelegt (siehe Fig. 4a); anschließend werden die Ränder 8' des Verstärkungsblechs 4' - analog zum Anwendungsbeispiel der Fig. 2b - auf das Basisblech 3' gedrückt und mit diesem verbunden (siehe Fig. 4b). Im Unterschied zu dem Glaskörper 10, welcher erst bei Temperaturen nahe seines Schmelzpunkts in einen duktilen Zustand übergeht, ist die Glasfasermatte 16 bereits bei Raumtemperatur verformbar; während demnach bei Verwendung eines Glaskörpers die Glassorte entsprechend der Umformtemperatur der Deckbleche 3', 4' ausgewählt werden muß, kann eine Glasfasermatte 16 aus Glasfasern mit hoher Schmelztemperatur für einen breiten Bereich von Umformtemperaturen zum Einsatz kommen. Da die Glasfasermatte 16 weiterhin während des Warmumformens ihren Aggregatzustand beibehält, braucht der Rand 6' des Verstärkungsblechs 4' nicht unbedingt allseitig gegenüber dem Basisblech 3' geschlossen sein, da die Glasfasermatte 16 durch die Druckausübung während des Warmumformens nicht in einen fließfähigen Zustand gelangt, in dem sie aus dem Versteifungsbereich 2 herausgedrückt werden kann. Es genügt also, die Glasfasermatte 16 in der gewünschten Lage zwischen Basis- und Verstärkungsblech 3', 4' zu fixieren; hierzu reicht es aus, den Rand 6' des Verstärkungsblechs 4' - wie in Fig. 4b angedeutet - nur abschnittsweise über den Rand 7' der Glasfasermatte 16hinausragen zu lassen und ihn in diesen Bereichen mit dem Basisblech 3' zu verbinden.
• Zwar ist es - insbesondere bei Verwendung eines mattenförmigen Werkstoffs als Ausgangsmaterial für das Zwischenelement 5 - grundsätzlich möglich, das Verstärkungsblech 4' und das Zwischenelement 5 zunächst mittels eines provisorischen Fügeverfahrens mit dem Basisblech 3' zu verbinden, und das vollständige tragfähige Verbinden erst nach dem Warmumformen vorzunehmen. Es ist jedoch eher zu empfehlen, das vollständige Zusammenschweißen von Verstärkungs- und Basisblech 3', 4' im Randbereich 8' bereits vor der Warmumformung vorzunehmen. Insbesondere bei Verwendung eines massiven Glaskörpers 10 als Rohling für das Zwischenelement 5 kann dadurch sichergestellt werden, daß das teigige Glas während der Warmumformung nicht aus dem Versteifungsbereich 2 entweichen kann. Weiterhin lassen sich die Bleche 3', 4' im Flachzustand bzw. in einem unvollständig geformten Verformungszustand leichter handhaben und rationeller und prozeßsicherer schweißen. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Schweißstellen die Wärmebehandlung mit durchlaufen im Vergleich zu der Variante, bei der die bereits wärmebehandelten Bleche nachträglich geschweißt werden. Schließlich ist es auch für den Umformprozeß besser, wenn die beteiligten Bleche 3', 4' im Randbereich 8' sicher miteinander verbunden sind.
• Wurden bisher Zwischenelement-Rohlinge 10, 16 aus einem Glaswerkstoff betrachtet, so kann das Zwischenelement 5 ganz allgemein aus einem anorganischen oder organischen Werkstoff bestehen, dessen Materialparameter der Umformtemperatur der beiden Deckbleche 3, 4 in einer solchen Weise angepaßt sind, daß das Zwischenelement 5 bei der gewählten Warmumformtemperatur in einem duktilen Zustand vorliegt.

Claims (8)

1. Blechumformteil, insbesondere Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug,
umfassend ein Basisblech und mindestens ein kleineres, lokal angeordnetes und mit dem Basisblech verbundenes Verstärkungsblech,
wobei das Basisblech und das mindestens eine Verstärkungsblech gemeinsam in einem Warmumformprozeß zu dem Blechumformteil geformt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Versteifungsbereich (2) zwischen Basisblech (3) und Verstärkungsblech (4) ein Hohlraum (9) gebildet ist, in welchem ein Zwischenelement (5) angeordnet ist, dessen spezifische Dichte geringer ist als diejenige der Bleche (3, 4).

2. Blechumformteil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Basisblech (3) und Verstärkungsblech (4) ein geschlossener Hohlraum (9) gebildet ist, so daß das Zwischenelement (5) allseitig zwischen Basisblech (3) und Verstärkungsblech (4) eingeschlossen ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines räumlich geformten, aus einem Basisblech und aus wenigstens einem kleineren, lokal angeordneten Verstärkungsblech bestehenden Blechumformteils, insbesondere eines Strukturbauteils für den ein Kraftfahrzeug,
bei dem das Basisblech im Flachzustand oder in einem unvollständig umgeformten Verformungszustand mit dem Verstärkungsblech an der für die spätere Verstärkungsstelle vorgesehene Stelle verbunden wird,
und das auf diese Weise gepatchten Verbundblech anschließend auf eine oberhalb der Umformtemperatur des Werkstoffs liegende Temperatur erwärmt, im Warmzustand in die gewünschte Form umgeformt und schließlich unter mechanischer Fixierung des gewünschten Umformzustands abgekühlt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Zuge des Verbindens von Basisblech (3') und Verstärkungsblech (4') zwischen diese Bleche (3', 4') ein Zwischenelement-Rohling (10, 16) eingelegt wird, welcher anschließend als Teil des gepatchten Verbundbleches (11) erwärmt, umgeformt und abgekühlt wird, wobei der Zwischenelement-Rohling (10, 16) eine geringere spezifische Dichte aufweist als die Bleche (3', 4').

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenelement-Rohling ein Formkörper (10) aus einem Glas verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenelement-Rohling eine Glasfasermatte (16) verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsblech (4') vor dem Verbinden mit dem Basisblech (3') mit einer Mulde (13) versehen wird, welche beim Zusammenfügen des Verstärkungsblechs (4') mit dem Basisblech (3') den Zwischenelement-Rohling (10, 16) aufnimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gepatchte Verbundblech (11) vor dem Umformen auf eine bestimmte Temperatur innerhalb des Temperaturbereiches zwischen 850 und 930°C erwärmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Randbereich (8') des Verstärkungsbleches (4') und/oder ein diesem in Zusammenbaulage gegenüberliegender Kontaktbereich (14) auf dem Basisblech (3') vor dem Verbinden von Basisblech (3') und Verstärkungsblech (4') zu dem gepatchten Verbundblech (11) mit einer korrosionshemmenden Beschichtung (15) versehen wird.