DE102007021800A1

DE102007021800A1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils

Info

Publication number: DE102007021800A1
Application number: DE102007021800A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wilhelm Schaumann; Heiko Dipl.-Ing. Zschipke
Original assignee: ThyssenKrupp Steel AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, umfassend mindestens ein erstes Blech und mindestens ein mit dem ersten Blech zumindest teilweise stoffschlüssig verbundenes zweites Blech, wobei das zweite Blech auf dem ersten Blech angeordnet wird, zwischen beiden Blechen ein Klebstoff vorgesehen ist und beide Bleche gemeinsam umgeformt werden. Die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils zur Verfügung zu stellen, welches mit besonders einfachen Mitteln und durch wenige Arbeitsschritte hergestellt werden kann, wird für ein gattungsgemäßes Verfahren dadurch gelöst, dass ein durch mechanische Krafteinwirkung aushärtbarer Klebstoff verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils umfassend mindestens ein erstes Blech und mindestens ein mit dem ersten Blech zumindest teilweise stoffschlüssig verbundenes zweites Blech, wobei das zweite Blech auf dem ersten Blech angeordnet wird, zwischen beiden Blechen ein Klebstoff vorgesehen ist und beide Bleche gemeinsam umgeformt werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verbundbauteil umfassend ein erstes Blech und mindestens ein zweites Blech, wobei das erste Blech und das zweite Blech durch einen Klebstoff zumindest teilweise stoffschlüssig miteinander verbunden und beide Bleche gemeinsam umgeformt worden sind.
Zunehmend wird bei Verbundbauteilen wie etwa Doppelblechen oder "gepatchten" Blechen als Verbindungstechnik das Kleben verwendet, um beide Bleche stoffschlüssig zu verbinden. Ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines zweilagigen Verbundbauteils ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 19 783 A1 bekannt, bei welchem die einzelnen Verbundbauteile in einem ersten Verfahrensschritt zumindest einseitig mit einem Klebstoff versehen und aneinandergelegt werden, der Klebstoff durch gezielte Wärmezufuhr zumindest teilweise ausgehärtet wird, so dass dieser einen teilvernetzten oder teilausgehärteten Zustand erreicht. Dann wird die Wärmeeinwirkung unterbrochen und das Blechteil umgeformt. Anschließend erfolgt wiederum eine Erwärmung, so dass der Klebstoff vollständig aushärtet. Neben dem Nachteil, dass bei einer Unterbrechung der Wärmeeinwirkung die Vernetzung noch teilweise weiter voranschreitet und ein definierter, teilvernetzter Zustand nicht erreicht werden kann, bedeutet die zusätzliche Wärmeeinwirkung nach dem Umformen einen erhöhten Aufwand in Bezug auf Zeit und Energie.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein entsprechendes Verbundbauteil zur Verfügung zu stellen, welches mit besonders einfachen Mitteln und durch wenige Arbeitsschritte hergestellt werden kann.
Die oben aufgezeigte Aufgabe wird gemäß der ersten Lehre der vorliegenden Erfindung von einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass ein durch mechanische Krafteinwirkung aushärtbarer Klebstoff verwendet wird.
Die Erfindung macht sich die Eigenschaft der Verbundbauteile zu Nutze, dass diese nach dem Aufeinanderlegen umgeformt werden, so dass mechanische Kräfte auf beide Bleche wirken. Insbesondere werden die umgeformten Bereiche, beispielsweise bei einem Ziehvorgang, besonderen mechanischen Belastungen unterworfen, welche gleichzeitig als Aktivierungsenergie des Klebstoffs genutzt werden kann, der dann erfindungsgemäß aushärtet. Das erfindungsgemäße Verfahren kommt damit ohne eine Erwärmung der Bleche aus und benötigt insofern lediglich die Arbeitsschritte des Aufeinanderanordnens der zumindest teilweise mit Klebstoff versehenen Blechoberflächen und des Umformens beider Bleche. Die sonst übliche Wärmebehandlung ist nicht mehr notwendig.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht der verwendete Klebstoff aus mindestens einem Binder und mindestens einem Härter, wobei der Härter im Binder durch mechanische Krafteinwirkung auf die Bleche freigesetzt werden kann. Solange der Härter noch nicht freigesetzt ist, findet kein Aushärteprozess statt. Lediglich bei Krafteinwirkung auf die Klebstoffschicht wird der Härter freigesetzt und über eine chemische Reaktion vernetzten Härter und Binder miteinander.
Eine besonders einfache Möglichkeit den Härter erst durch eine mechanische Krafteinwirkung freizusetzen wird gemäß einer nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch erreicht, dass mindestens ein Härter in auftrennbaren Mikrokapseln eingeschlossen ist. Über die Größe und Konsistenz der Mikrokapseln kann nun eingestellt werden, ab welcher mechanischen Krafteinwirkung die Aktivierung des Aushärteprozesses stattfinden soll, da beispielsweise bei stärkerer Krafteinwirkung beim Umformen der Abstand der Bleche zueinander verringert wird.
Es ist aber auch vorteilhaft, wenn mindestens zwei verschiedene Härter vorgesehen sind, wobei der erste Härter eine geringe Festigkeit und der mindestens zweite Härter eine hohe Festigkeit erzielt. Durch die Verwendung von verschiedenen Härtersystemen ist es beispielsweise möglich, durch gezielte Freisetzung des ersten Härters eine relativ gute Fixierung der Bleche miteinander zu erreichen, um den Umformvorgang zu vereinfachen. Anschließend kann durch die Freisetzung des zweiten Härters, beispielsweise während des Umformens, die geforderte Festigkeit der Verbindung zwischen beiden Blechen erreicht werden.
Eine einfache Möglichkeit das Freisetzen der verschiedenen Härter zu verschiedenen Zeitpunkten zu erreichen, besteht erfindungsgemäß darin, dass der Härter, welcher eine geringe Festigkeit erzielt, in auftrennbare Mikrokapseln eingeschlossen ist, welche einen größeren Durchmesser als die Mikrokapseln des Härters mit höherer Festigkeit aufweisen. Auf diese Weise werden beim Zusammenpressen der beiden Bleche miteinander zunächst die großen Mikrokapseln mit dem schwachen Härter freigesetzt, so dass beide Bleche noch relativ flexibel zueinander fixiert werden können. Beim anschließenden Umformen verringert sich der Abstand beider Bleche, beispielsweise bei einem Ziehprozess, deutlich, so dass auch der Härter, welcher eine höhere Festigkeit erzielt, freigesetzt wird.
Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Mikrokapseln 1 bis 500 μm, insbesondere 1 bis 300 μm, so dass der Klebstoff noch weiterhin leicht verarbeitbar ist.
Ist der Härter, welcher eine höhere Festigkeit erzielt, in Mikrokapseln mit einem Durchmesser kleiner 250 μm eingeschlossen, so wird dieser Härter erst bei sehr geringen Abständen beider Bleche, wie sie beispielsweise beim gemeinsamen Umformen auftreten, freigesetzt.
Der Härter, welcher eine geringere Festigkeit erzielt, ist vorzugsweise in Mikrokapseln größer 50 μm eingeschlossen, so dass dieser spätestens bei einem Abstand von 50 μm beider Bleche voneinander nahezu vollständig freigesetzt ist.
Eine besonders einfache Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, dass lediglich ein Härter verwendet wird, welcher in verschieden großen Mikrokapseln eingeschlossen ist. Die Verteilung der Größe der Mikrokapseln, d. h. das Verhältnis der Anzahl der großen Mikrokapseln zur Anzahl der kleinen Mikrokapseln, ermöglicht, auch mit einem einzigen Härter zunächst nur eine leichte Festigkeit der Klebeverbindung zu erzielen, indem nur wenige große Kapseln durch die mechanische Krafteinwirkung aufgetrennt werden und anschließend beim Umformen beider Bleche miteinander der gesamte Härter freigesetzt wird, so dass insgesamt die Klebeverbindung vollständig aushärtet.
Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Verbinden des ersten und zweiten Blechs in zwei Schritten, wobei im ersten Schritt eine noch flexible Verbindung zwischen beiden Blechen hergestellt wird. Dies hat den Vorteil, dass eine Korrektur der Blechlage einerseits noch vor dem Umformen ermöglicht wird, andererseits wird der Umformprozess durch die Verbindung der Bleche nicht gestört. Beide Bleche können sich bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nahezu frei verformen.
Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der zweite Schritt durch gemeinsames Umformen der Bleche, wobei nach dem Umformen die endgültige Festigkeit der Verbindung beider Bleche erreicht wird.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verbundbauteil dadurch gelöst, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Blech zumindest teilweise ein die stoffschlüssige Verbindung beider Bleche bewirkender, durch mechanische Krafteinwirkung aushärtbarer Klebstoff vorgesehen ist.
Wie zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt, kann das erfindungsgemäße Verbundbauteil auf besonders einfache Art und Weise hergestellt werden und benötigt sehr wenige Arbeitsschritte. Dennoch kann ein Verbundbauteil mit hoher Festigkeit zur Verfügung gestellt werden.
Eine besonders gute Anpassung an die Belastungsbedingungen kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbundbauteils dadurch erreicht werden, dass beide Bleche aus dem gleichen Metall oder aus unterschiedlichen Metallen, vorzugsweise aus identischen oder unterschiedlichen Stählen oder Stahllegierungen bestehen. Durch das besondere Fügeverfahren ist die freie Auswahl bezüglich der verschiedenen Metalle gegeben, da beispielsweise keine Rücksicht auf unterschiedliche Schmelzpunkte etc. genommen werden muss.
Die erfindungsgemäßen Verbundbauteile werden vorzugsweise im Fahrzeug-, Schiff- oder Flugzeugbau eingesetzt, da hier im besonderen Maße teilflächig verstärkte Bleche, welche einer Umformung unterzogen werden, eingesetzt werden. Es sind aber auch andere Verwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Verbundbauteils denkbar.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie das Verbundbauteil selbst auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 12 nachfolgenden Patentansprüche sowie auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
1 in einer Querschnittsansicht ein Blech eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verbundbauteils mit einer Klebstoffschicht,
2a), b) die Durchführung eines ersten Verfahrensschritts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3a), b) in einer Querschnittsansicht die Durchführung des zweiten Verfahrensschritts des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens aus 2a), b) und
4 in einer Querschnittsansicht das mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte erfindungsgemäße Verbundbauteil.
Die 1 zeigt nun ein erstes Blech 1 auf welches ein Klebstoff 2 aufgetragen ist. Der Klebstoff 2 besteht aus einem Binder 3 sowie einem Härter 4, 5. Der Härter 4, 5 ist in Mikrokapseln 6, 7 eingeschlossen, so dass der Härter 4, 5 mit dem Binder 3 nicht reagieren kann. Der Klebstoff 2 ist in diesem Zustand leicht verarbeitbar. Wie aus der 1 deutlich wird, weisen die Mikrokapseln unterschiedliche Größen auf. Vorzugsweise haben die in den unterschiedlichen Mikrokapseln vorgesehenen Härter unterschiedliche Festigkeiten. So kann beispielsweise in den größeren Mikrokapseln 6 ein erster Härter vorgesehen sein, welcher zusammen mit dem Binder einen weichen/elastischen Klebstoff bildet. Der zweite Härter 4, welcher in den kleineren Mikrokapseln 7 eingeschlossen ist, kann so ausgebildet sein, dass dieser in Verbindung mit dem Binder zu einer harten bzw. spröden Klebstoffschicht reagiert, die eine besonders gute Festigkeit aufweist. Wie bereits zuvor erläutert, ist aber auch vorstellbar bei einem Einsatz eines einzigen Härtersystems in den verschiedenen Mikrokapseln, durch die Anzahl der unterschiedlichen Mikrokapseln zueinander, bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, zunächst eine weiche, beispielsweise elastische Verbindung zwischen beiden Blechen herzustellen und anschließend durch die Freisetzung des gesamten Härters, auch des Härters in den kleineren Mikrokapseln, während des Umformens beider Bleche eine Verbindung zwischen beiden Blechen mit hoher Festigkeit zu erzielen.
Ein erster Verfahrensschritt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den 2a) und b) dargestellt. Zunächst wird ein zweites Blech 8 auf dem ersten Blech 1 angeordnet. Anschließend wird über einen Stempel 10 eine Kraft F auf beide Bleche 8, 9 ausgeübt, so dass die Dicke des Klebstoffs 2 zwischen beiden Blechen reduziert wird. Abhängig von der Größe der größeren Mikrokapseln 6 werden diese ab einer bestimmten Dicke der Klebstoffschicht 2 gequetscht und aufgetrennt, so dass der Härter 5 im Binder 3 freigesetzt wird. Der Härter 5 hat nun die Eigenschaft, dass der Binder 3 nicht vollständig aushärtet und eine weiche, beispielsweise elastische Verbindung zwischen beiden Blechen 1, 8 hergestellt wird. Um bei diesem Vorgang die Mikrokapseln 7 des zweiten Härters 4 nicht zu beschädigen, muss die Dicke der Klebstoffschicht 2 beim Aufeinanderpressen bzw. Aufeinanderanordnen der beiden Bleche genau kontrolliert werden. Auf einfache Weise kann dies beispielsweise, wie in 2a) dargestellt, über Anschläge 9 geschehen, über die die Dicke der Klebstoffschicht exakt einstellbar ist.
2b) zeigt nun die miteinander verbundenen Bleche 1 und 8 sowie die dazwischenliegende Klebstoffschicht 2, in welcher lediglich die kleineren Mikrokapseln 7 vorhanden sind. Der Härter 4, welcher in den Mikrokapseln 7 eingeschlossen ist, ist bisher noch nicht freigesetzt worden. Die Klebstoffschicht 2 ist damit noch nicht vollständig vernetzt bzw. ausgehärtet. Diese noch nicht ausgehärtete Klebstoffschicht 2 bietet nun die Möglichkeit, die beiden Bleche 1, 8 umzuformen, ohne dass die Umformung beider Bleche durch die Klebstoffschicht 2 wesentlich beeinflusst wird. Beide Bleche 1, 8 können nahezu frei verformen.
Einen zweiten Schritt des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt stark schematisiert 3a). Über die Kraft F wird die üblicherweise beim gemeinsamen Umformen beider Bleche 1, 8 auf diese einwirkende Kraft angedeutet. Diese verringert die Dicke der Klebstoffschicht 2 weiter, bis die Mikrokapseln 7 ebenfalls aufgetrennt werden und der Härter 4 in der Klebstoffschicht 2 freigesetzt wird. Durch die chemische Reaktion des Härters 4 mit dem noch weichen bzw. elastischen Klebstoff 2 wird eine hohe Festigkeit aufweisende Klebstoffschicht 2' erzeugt, welche nunmehr vollständig ausgehärtet bzw. vernetzt ist.
Eine Querschnittsansicht eines fertigen Verbundbauteils 11, welches beispielsweise einen tiefgezogenen Bereich 12 aufweist, ist in 4 dargestellt. Die Bleche 1 und 8 sind durch eine dünne Klebstoffschicht 2, die vollständig ausgehärtet ist, miteinander verbunden, so dass eine besonders hohe Festigkeit erzielt wird.
Anwendung findet das soeben beschriebene Verfahren insbesondere bei der Herstellung von "gepatchten" Blechen, bei welchen auf eine Grundplatine, beispielsweise Blech 1, ein Patch, beispielsweise das Blech 2, angeordnet und zunächst nur hinsichtlich seiner Lage fixiert wird. Die Lagefixierung erfolgt durch die weiche bzw. elastische Klebstoffschicht zwischen der Grundplatine und dem Patch. Durch das zweistufige Verfahren kann insbesondere gewährleistet werden, dass zunächst das Patch exakt auf der Grundplatine fixiert und angeordnet werden kann, so dass beispielsweise ein Transport ohne wesentliche Änderung der Lage des Patches auf der Grundplatine erfolgen kann. Anschließend erfolgt die Umformung des Patches zusammen mit der Grundplatine unmittelbar vor der Herstellung des fertigen Verbundbauteils.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19919783 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils umfassend mindestens ein erstes Blech und mindestens ein mit dem ersten Blech zumindest teilweise stoffschlüssig verbundenes zweites Blech, wobei das zweite Blech auf dem ersten Blech angeordnet wird, zwischen beiden Blechen ein Klebstoff vorgesehen ist und beide Bleche gemeinsam umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch mechanische Krafteinwirkung aushärtbarer Klebstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Klebstoff aus mindestens einem Binder und mindestens einem Härter besteht, wobei der Härter im Binder durch mechanische Krafteinwirkung auf die Bleche freigesetzt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Härter in auftrennbaren Mikrokapseln eingeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei verschiedene Härter vorgesehen sind, wobei der erste Harter eine geringe Festigkeit und der mindestens zweite Härter eine hohe Festigkeit erzielt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Härter, welcher eine geringe Festigkeit erzielt, in auftrennbare Mikrokapseln eingeschlossen ist, welche einen größeren Durchmesser als die Mikrokapseln des Härters, welcher eine höhere Festigkeit erzielt, aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Mikrokapseln 1 bis 500 μm, insbesondere 1 bis 300 μm, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Härter, welcher eine höhere Festigkeit erzielt, in Mikrokapseln mit einem Durchmesser kleiner 250 μm eingeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Härter, welcher eine geringere Festigkeit erzielt, in Mikrokapseln größer 50 μm eingeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Härter in verschieden großen Mikrokapseln eingeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden des ersten und zweiten Blechs in zwei Schritten erfolgt, wobei im ersten Schritt eine noch flexible Verbindung zwischen beiden Blechen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schritt durch gemeinsames Umformen der Bleche erfolgt, wobei nach dem Umformen die endgültige Festigkeit der Verbindung beider Bleche erreicht wird.
Verbundbauteil, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 11, umfassend ein erstes Blech und mindestens ein zweites Blech, wobei das erste Blech und das zweite Blech durch einen Klebstoff zumindest teilweise stoffschlüssig miteinander verbunden sind und beide Bleche gemeinsam umgeformt worden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Blech (1, 8) zumindest teilweise ein die stoffschlüssige Verbindung beider Bleche bewirkender, durch mechanische Krafteinwirkung aushärtbarer Klebstoff (2) vorgesehen ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bleche (1, 8) aus dem gleichen Metall oder aus unterschiedlichen Metallen, vorzugsweise aus identischen oder unterschiedlichen Stählen oder Stahllegierungen bestehen.
Verwendung eines Verbundbauteils nach Anspruch 12 oder 13 im Fahrzeugs-, Schiffs- oder Flugzeugbau.