DE102007059057B4

DE102007059057B4 - Method for producing a composite component

Info

Publication number: DE102007059057B4
Application number: DE102007059057.3A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Dudziak Kai-Uwe; Jörg Kölln; Dipl.-Ing. Schult Jens
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2016-10-06
Anticipated expiration: 2027-12-07
Also published as: DE102007059057A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, wobei ein rohrförmiges metallisches Hohlprofil mittels fluidischen Innenhochdrucks in eine Endform aufweitend umgeformt wird und wobei das Hohlprofil in einem geschlossenen Formwerkzeug mit einem Spritzgusswerkstoff lokal umspritzt wird, während im Ausgangshohlprofil ein Stützdruck erzeugt wird, der dem vom Spritzgusswerkstoff ausgeübten Gießdruck unter Beibehaltung der Hohlprofilform entgegenwirkt, wonach der umspritzte Spritzgusswerkstoff abgekühlt und nach der Abkühlung das fertig ausgebildete Verbundbauteil dem Formwerkzeug entnommen wird, wobei die Umformung des Hohlprofils in seinen nicht-umspritzten Bereichen mittels Innenhochdruck in die Endform im geschlossenen Formwerkzeug gegen Ende des Gesamtprozesses oder nach der Abkühlphase erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abkühlphase das eingespritzte Gussmaterial mittels verfahrbarer Bauteile des Formwerkzeuges abgestützt wird.A method for producing a composite component, wherein a tubular metallic hollow profile by means of fluidic internal high pressure is formed expanding into an end shape and wherein the hollow profile is encapsulated in a closed mold with an injection molding material locally, while in the output hollow profile, a support pressure is generated, which under the pressure exerted by the injection molding casting pressure below Retention of the hollow profile shape counteracts, after which the overmolded injection molded material is cooled and removed after cooling the finished composite component the mold, the deformation of the hollow profile in its non-encapsulated areas by means of internal high pressure in the final mold in the closed mold towards the end of the overall process or after the cooling phase takes place, characterized in that during the cooling phase, the injected casting material is supported by means of movable components of the molding tool.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for producing a composite component according to the preamble of claim 1.

Ein gattungemäßes Verfahren ist aus der DE 100 14 332 C2 bekannt. Gemäß der dortigen Absätze 17 und 34 wird ein Innenhochdruckumformprozess mit einem Spritzgießverfahren kombiniert, wofür ein Kombinationswerkzeug verwandt wird. Ein unverformtes oder vorgeformtes Hohlprofil wird zwischen die beiden Hälften des offenen Kombinationswerkzeuges gebracht, wonach durch Schließen des Werkzeugs das Hohlprofil analog zum Innenhochdruckumformverfahren in seine endgültige Form gebracht wird. Hiernach werden an das mittels fluidischen Innenhochdruckes umgeformte im Formhohlraum des Werkzeugs liegende Hohlprofil Kunststoffelemente angespritzt. Der Fluiddruck innerhalb des Hohlprofils wird bis zum Abkühlen des Verbundbauteils in Form eines Stützdruckes aufrechterhalten. Bei diesem Verfahren können jedoch insbesondere dann, wenn eine unsymmetrische Endform des Hohlprofil gewünscht ist, während der Umformphase Auffaltungen und Knickstellen am Hohlprofil entstehen, die nicht mehr zu beseitigen sind.A genattungemäßes method is from the DE 100 14 332 C2 known. According to paragraphs 17 and 34, a hydroforming process is combined with an injection molding process using a combination tool. An undeformed or preformed hollow profile is placed between the two halves of the open combination tool, after which the hollow profile is brought into its final shape analogous to the hydroforming process by closing the tool. Thereafter, molded plastic components are molded onto the hollow profile formed by fluidic hydroforming in the mold cavity of the tool. The fluid pressure within the hollow profile is maintained until cooling of the composite component in the form of a support pressure. In this method, however, especially when an asymmetrical final shape of the hollow profile is desired, folds and kinks on the hollow profile occur during the forming phase, which can no longer be eliminated.

Die deutsche Patentanmeldung DE 103 26 768 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles (27) aus metallischem Material und aus Kunststoffmaterial in einem kombinierten IHU-Spritzgieß-Prozess, wobei die folgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden: Das vorgeformte Bauteil aus metallischem Material, wird mit einem Druckmedium befüllt und an seinen Enden verschlossen. Das vorgeformte Bauteil aus metallischem Material wird in einer ersten Kavität in einem Formwerkzeug eingelegt, seine Kontur hydro-ausgeformt und Durchbrüche für Kunststoffmaterial erzeugt. Nach dem Ausformen des vorgeformten Bauteiles aus metallischem Material wird das Formwerkzeug derart bewegt, dass das hydroausgeformte Bauteil aus metallischem Material in einer zweiten Kavität für Spritzgießen positioniert wird. Durch in die zweite Kavität eingespritztes Kunststoffmaterial wird das Hybridbauteil erzeugt, während gleichzeitig in der ersten Kavität des Formwerkzeuges ein mit Druckmedium befülltes, vorgeformtes Bauteil aus metallischem Material in seiner Kontur hydro-ausgeformt wird.The German patent application DE 103 26 768 A1 relates to a method for producing a hybrid component ( 27 ) of metallic material and plastic material in a combined hydroforming injection molding process, wherein the following process steps are performed: The preformed component made of metallic material is filled with a pressure medium and sealed at its ends. The preformed component made of metallic material is placed in a first cavity in a mold, hydro-shaped its contour and produces openings for plastic material. After forming the preformed component from metallic material, the mold is moved such that the hydroausgeformte component of metallic material is positioned in a second cavity for injection molding. By injected into the second cavity plastic material, the hybrid component is generated, while at the same time in the first cavity of the mold a filled with pressure medium, preformed component of metallic material is hydro-formed in its contour.

Die PCT-Anmeldung WO 2005/002825 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Metall-Verbundbauteils, wenigstens bestehend aus einem Hohlkörper aus Metall oder Kunststoff, welcher mindestens eine Öffnung aufweist und mit thermoplastischem Kunststoff angespritzt und/oder teilweise oder vollständig umspritzt wird, wobei beim Anspritzen und/oder Umspritzen der Hohlkörper mit einer inkompressiblen Flüssigkeit vollständig gefüllt ist.The PCT application WO 2005/002825 A1 describes a method for producing a plastic-metal composite component, at least consisting of a hollow body made of metal or plastic, which has at least one opening and molded with thermoplastic material and / or partially or completely encapsulated, wherein during injection molding and / or encapsulation of the hollow body is completely filled with an incompressible liquid.

Die PCT-Anmeldung WO 2001/087568 A1 zeigt ein Verfahren zur Hestellung eines Formteils aus einem Metall-/Kunststoffverbund. Dabei wird durch Innenhochdruckumformen von rohrförmigem Halbzeug aus Metall zu dem Formteil das Halbzeug in ein zweiteiliges Formwerkzeug mit einem der Außenkontur des Formteils entsprechenden Formraum eingelegt, das Formwerkzeug geschlossen, das rohrförmige Halbzeug an seinen offenen Stirnseiten druckfest abgedichtet und von einer Stirnseite mit einer Polymerschmelze unter hohem Druck in den Formraum eingeformt. Die Polymerschmelze wird durch Spritzgiessen mittels eines herkömmlichen Spritzgiessaggregats in das Halbzeug gedrückt. Nach ausreichender Erstarrung der Polymerschmelze im Wandbereich des metallischen Formteils wird die Polymerschmelze aus dem Formteil verdrängt, so dass ein metallisches Formteil mit einer Innenbeschichtung aus Kunststoff erhalten wird. Ferner wird eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung und deren Verwendung beschrieben.The PCT application WO 2001/087568 A1 shows a method for Hestellung a molding of a metal / plastic composite. The semifinished product is inserted into a two-part mold with a corresponding outer contour of the molding, the mold closed, sealed the tubular semi-finished pressure-tight at its open end faces and from a front side with a polymer melt under high Pressure formed in the mold cavity. The polymer melt is pressed into the semifinished product by injection molding by means of a conventional injection molding unit. After sufficient solidification of the polymer melt in the wall region of the metallic molded part, the polymer melt is displaced from the molded part, so that a metallic molded part is obtained with an inner coating made of plastic. Furthermore, a device operating according to this method and its use will be described.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterzubilden, dass in relativ einfacher Weise und prozesssicher die Herstellung eines Verbundbauteils ermöglicht wird.The invention has the object of developing a generic method to the effect that the production of a composite component is made possible in a relatively simple manner and process reliable.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.The object is achieved by the features of claim 1.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Aufweitung im geschlossenen Formwerkzeug, die im Wesentlichen durch den fluidischen Innenhochdruck zustande kommt, wird eine freie mechanische Verformung mit zu hohen axialen Schubkräften und der Gefahr der Einleitung von Querkraftkomponenten vermieden, so dass keine Auffaltungen und Knickstellen auftreten. Dies ist insbesondere dann von herausragender Bedeutung, wenn asymmetrische komplexe Gestaltungen des Hohlprofils gegebenenfalls mit hohen Umformgraden erreicht werden sollen. Um zu vermeiden, dass das Hohlprofil die für den Spritzguss vorgesehene Kavität zumindest teilweise ausfüllt und damit die Anspritzung unvollständig macht oder gar unterbindet, erfolgt die Umformung des Hohlprofils in die Endform erfindungsgemäß erst gegen Ende des Gesamtprozesses bzw. beginnt in der Abkühlphase des Teilprozesses Spritzgießen und betrifft im Wesentlichen nur die nicht-umspritzten Bereiche. Alternativ kann die Umformung auch nach der Abkühlphase erfolgen. Da die umspritzten erkalteten Bereiche des Verbundbauteils formstabil bleiben und sich nicht weiter umformen und im Formwerkzeug in diesen Bereichen auch keine weiteren Freiräume zur Verfügung stehen, in die eine Aufweitung des Hohlprofilmaterials erfolgen könnte, können die nicht-umspritzten Bereiche nahezu beliebig durch die Einwirkung des fluidischen Innenhochdrucks verformt werden. Im Gegensatz zu dem Stützdruck, der während des Spritzgießens in dessen Inneren ansteht und dem vom Spritzgusswerkstoff ausgeübten Gießdruck zur Vermeidung von gießdruckinduzierten Einfallstellen am Hohlprofil und daher unter Beibehaltung der bis zur Umspritzung vorliegenden Hohlprofilform entgegenwirkt, befindet sich der Umformdruck auf einem höheren, gegebenenfalls erheblich gesteigertem Niveau. Der Stützdruck kann in etwa so groß sein wie der Gießdruck, wobei der Stützdruck eher geringer ausfallen kann, da die Eigenstabilität des Hohlprofils einen Anteil an dem Gesamtwiderstand wider die vom Gießdruck ausgeübten in das Innere des Hohlprofils gerichteten Kraft erbringen kann. Dieser Anteil ist werkstoff- und wanddickenabhängig. Neben der bedarfsgerechten Umformung des Hohlprofils mit niedrigeren Umformgraden unter Anlage an der Werkzeuggravur sind auch Ausformungen hoher Umformgrade prozesssicher möglich, die zur Ausbildung von Nebenformelementen wie beispielsweise Dome oder Ausbauchungen führen. Die umspritzten Bereiche werden umformtechnisch nicht berührt, da diese zumindest weitgehend erkaltet und ausgehärtet sind. Weiterhin wird die Verbleibzeit des Verbundbauteils in dem Formwerkzeug während Abkühlphase genutzt, um die Umformung auszuführen, wodurch höchst vorteilhafter Weise Herstellungszeit eingespart wird. Als Spritzgussmaterial ist Kunststoff wie auch ein Leichtmetall denkbar.Due to the widening according to the invention in the closed mold, which is essentially due to the fluidic internal high pressure, a free mechanical deformation is avoided with excessive axial thrust forces and the risk of introducing lateral force components, so that no folds and kinks occur. This is of particular importance when asymmetrical complex designs of the hollow profile are to be achieved, if appropriate, with high degrees of deformation. To avoid that the hollow profile at least partially fills the cavity provided for the injection molding and thus makes the gating incomplete or even prevents the deformation of the hollow profile in the final shape according to the invention until the end of the entire process or begins in the cooling phase of the injection molding and sub-process essentially concerns only the non-overmolded areas. Alternatively, the transformation can also take place after the cooling phase. Since the overmolded, cooled regions of the composite component remain dimensionally stable and do not deform any further and no further free spaces are available in the mold in these regions, into which a widening of the hollow profile material could take place. overmolded areas are deformed almost arbitrarily by the action of the fluidic internal high pressure. In contrast to the support pressure, which is present in the interior of the injection molding and the casting pressure exerted by the injection molding material to avoid pouring pressure induced sink marks on the hollow profile and therefore counteracts the present until the overmolding hollow profile shape, the forming pressure is at a higher, possibly significantly increased Level. The support pressure can be about as large as the casting pressure, whereby the support pressure can be rather lower, since the inherent stability of the hollow profile can provide a proportion of the total resistance against the forces exerted by the casting pressure in the interior of the hollow profile force. This proportion depends on the material and wall thickness. In addition to the demand-oriented deformation of the hollow profile with lower degrees of deformation under investment in the tool engraving and formations of high degrees of deformation are process reliable possible, leading to the formation of secondary features such as domes or bulges. The overmolded areas are not affected by forming technology, since they are at least largely cooled and hardened. Furthermore, the retention time of the composite component in the mold during the cooling phase is used to carry out the forming, thereby most advantageously saving production time. As injection molding material plastic as well as a light metal is conceivable.

Dabei wird erfindungsgemäß während der Abkühlphase das eingespritzte Gussmaterial mittels verfahrbarer Bauteile des Formwerkzeuges abgestützt. Dadurch wird zu jeder Zeit des Herstellungsvorgangs des Verbundbauteils eine vollständige Anlage des Spritzgussmaterials an der Gravur des Formwerkzeuges gesichert, wodurch eine besonders gute Oberflächenqualität des ausgebildeten Gusselementes und eine sehr hohe Formtreue bezüglich der Abformung an der Gravur erreicht werden.According to the invention, during the cooling phase, the injected casting material is supported by means of movable components of the molding tool. As a result, a complete contact of the injection molding material is secured to the engraving of the mold at any time of the manufacturing process of the composite component, whereby a particularly good surface quality of the formed casting element and a very high dimensional accuracy with respect to the impression on the engraving can be achieved.

Das Schaumspritzgießen eignet sich sehr gut für beispielsweise PA, PP, POM, TPE/PP usw. Anhand der angeführten Vorteile eignet sich das Schaumspritzgießen hervorragend zur Unterstützung des Leichtbaus, wobei zudem noch höhere Steifigkeiten und Festigkeitseigenschaften erreicht werden. Des Weiteren lassen sich Ungenauigkeiten, die aus der FEM-Berechnung oder einer anderen Konzeption resultieren und zu einer Überdimensionierung von Hybridbauteilen führen können, über den einzustellenden Schaumteil beheben. Mit der beschriebenen Hybridtechnologie aus Innenhochdruckumformen und Spritzgießen, insbesondere Schaumspritzgießen lassen sich Strukturbauteile des Kraftfahrzeugs wie beispielsweise Dachrahmen, Sitzquerträge, Querträger an der Instrumententafel, Schweller optimal herstellen.Foam injection molding is very well suited for, for example, PA, PP, POM, TPE / PP etc. Based on the stated advantages, foam injection molding is excellently suited for supporting lightweight construction, whereby even higher stiffness and strength properties are achieved. Furthermore, any inaccuracies resulting from the FEM calculation or any other design that may lead to oversizing of hybrid components may be remedied through the foam part to be adjusted. With the described hybrid technology from hydroforming and injection molding, in particular foam injection molding, structural components of the motor vehicle such as, for example, roof frames, seat cross-ties, cross members on the instrument panel, sills can be produced optimally.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawing.

Dabei zeigt die 1 ein Druck-Zeit-Diagramm eines erfindungsgemäßen Herstellungsvorgangs.It shows the 1 a pressure-time diagram of a manufacturing process according to the invention.

Nachdem das Hohlprofil in das Formwerkzeug eingelegt wurde, wird letzteres geschlossen. Das Hohlprofil kann ein geradlinig verlaufender oder vorgebogener und gegebenenfalls mit speziellem von der Kreisrundheit abweichendem Querschnitt ausgestatteter metallischer rohrförmiger Rohling sein. Das Hohlprofil wird nun an beiden Enden mittels jeweils eines Axialstempels abgedichtet und über zumindest einen der Axialstempel mit einem Druckfluid befüllt. Mittels einer Fluidhochdruckerzeugungsanlage wird nun das Druckfluid gespannt.After the hollow profile has been inserted into the mold, the latter is closed. The hollow profile may be a straight tubular or pre-bent and optionally provided with a special cross-section deviating from the circularity of the tubular metal blank. The hollow profile is now sealed at both ends by means of a respective Axialstempels and filled via at least one of the Axialstempel with a pressurized fluid. By means of a fluid high pressure generating system now the pressurized fluid is tensioned.

Die strichlierte Kurve zeigt mehrere Phasen des Herstellungsprozesses. In der Phase A wird das Druckfluid auf einen Druck p_S gespannt, der unterhalb eines Umformdruckes liegt und einem Stützinnendruck entspricht, der größer oder gleich dem durch den eingespritzten Gusswerkstoff auf das Hohlprofil ausgeübten Außendruck ist. Hierdurch wird das Hohlprofil stabilisiert und ein gussdruckinduziertes Kollabieren des Hohlprofils verhindert. Während der sich unmittelbar anschließenden Phase B erfolgt dann die lokale Anspritzung bzw. die Umspritzung des Hohlprofils durch das Gussmaterial. Der Stützinnendruck wird dabei in etwa konstant gehalten. Hiernach folgt die Phase C, in der das umspritzte Hohlprofil und das Formwerkzeug abgekühlt wird. Dies kann aktiv durch Kühlvorrichtungen im oder am Formwerkzeug erfolgen. Denkbar ist alternativ auch ein passives Abkühlen ohne äußere Einwirkung, in dem das umspritzte Hohlprofil und das Formwerkzeug hinsichtlich ihrer Prozesstemperaturen sich selbständig an die Umgebungstemperatur angleicht. Während der Abkühlphase C, in der das Gussmaterial erstarrt und sich damit das angespritzte Gusselement festigt, wird der Druck des Druckfluids auf einen hohen Umformdruck p_UH gesteigert. Hierdurch werden die nicht-umspritzten Bereiche des Hohlprofils umgeformt, wobei Nebenformelemente höherer Umformgrade und/oder Ausformungen mit engen Radien entstehen. Nacherfolgter Umformung wird in der Phase D der Innendruck bis zur Entspannung des Druckfluids abgebaut und dieses aus dem fertigen Verbundbauteil geleitet. Anschließend wird das Formwerkzeug geöffnet und diesem das Verbundbauteil entnommen.The dashed curve shows several phases of the manufacturing process. In phase A, the pressure fluid is tensioned to a pressure p _S , which is below a forming pressure and corresponds to a support internal pressure which is greater than or equal to the external pressure exerted by the injected casting material on the hollow profile. As a result, the hollow profile is stabilized and prevents casting pressure-induced collapse of the hollow profile. During the immediately subsequent phase B then takes place the local gating or the encapsulation of the hollow profile through the casting material. The support internal pressure is kept approximately constant. This is followed by phase C, in which the overmolded hollow profile and the molding tool are cooled. This can be done actively by cooling devices in or on the mold. Alternatively, passive cooling without external action is conceivable, in which the overmolded hollow profile and the molding tool automatically adjust in terms of their process temperatures to the ambient temperature. During the cooling phase C, in which the casting material solidifies and thus solidifies the molded casting element, the pressure of the pressure fluid is increased to a high forming pressure p _UH . As a result, the non-overmolded areas of the hollow profile are deformed, wherein side mold elements higher degrees of deformation and / or formations with narrow radii arise. Subsequent forming is reduced in the phase D, the internal pressure to the relaxation of the pressurized fluid and this passed from the finished composite component. Subsequently, the mold is opened and this removed the composite component.

In Abwandlung vom geschilderten Herstellungsprozess kann der Druck des Druckfluids gemäß der durchgezogenen Linie die Phase A auch anders verlaufen. Diese ist hier aufgegliedert in eine Phase E und eine Phase F. In der Phase E wird der Druck des Druckfluids auf einen niedrigen Umformdruck p_UN gebracht, durch den das Hohlprofil vor dem Umspritzen im geschlossenen Formwerkzeug auch im zu umspritzenden Bereich so aufgeweitet wird, dass die dabei erzielte Ausformung gerade die Grenze zum vom Spritzguss später einzunehmenden Raum erreicht. Hierbei wird eine kleine Ausbauchung gebildet, über die das Hohlprofil dann in der Anspritzphase B mit dem Spritzguss einen Formschluss eingeht. Nach Beendigung der ersten Aufweitung und Bildung der kleinen Ausbauchung wird in der Phase F der Druck p_UN auf den Druck p_S verringert, wodurch die Phase B beginnt. Der weitere Herstellungsablauf bleibt gegenüber dem oben beschriebenen Herstellungsprozess unverändert.In a modification of the described manufacturing process, the pressure of the pressurized fluid according to the solid line, the phase A also run differently. This is here broken down into a phase E and a phase F. In the phase E, the pressure of the pressurized fluid is brought to a low forming pressure p _UN , by which the hollow profile is widened before encapsulation in the closed mold even in the region to be encapsulated the shape achieved just reached the limit to be taken by the injection later space. In this case, a small bulge is formed, via which the hollow profile then forms a positive connection with the injection molding in the injection phase B. After completion of the first expansion and formation of the small bulge, the pressure p _{UN is} reduced to the pressure p _S in the phase F, whereby the phase B begins. The further production process remains unchanged from the manufacturing process described above.

Es sei im Übrigen noch erwähnt, dass während der Phase C das Nachdrücken des Spritzgussmaterial erfolgt, das heißt, dass zusätzlich Gussmaterial in die schon umspritzten Bereiche eingespritzt wird. Die optional erwähnte Abstützung des eingespritzten Spritzgussmaterials bis zur Erstarrung mittels verfahrbarer Bauteile des Formwerkzeuges kann ebenfalls in der Phase C von statten gehen.Incidentally, it should also be mentioned that the injection molding material is pressed in during the phase C, that is to say that casting material is additionally injected into the already overmolded regions. The optionally mentioned support of the injected injection molding material until solidification by means of movable components of the molding tool can also be done in phase C.

Claims

A method for producing a composite component, wherein a tubular metallic hollow profile by means of fluidic internal high pressure is formed expanding into an end shape and wherein the hollow profile is encapsulated in a closed mold with an injection molding material locally, while in the output hollow profile, a support pressure is generated, which under the pressure exerted by the injection molding casting pressure below Retention of the hollow profile shape counteracts, after which the overmolded injection molded material is cooled and removed after cooling the finished composite component the mold, wherein the deformation of the hollow profile in its non-encapsulated areas by means of internal high pressure in the final mold in the closed mold towards the end of the overall process or after the cooling phase takes place, characterized in that during the cooling phase, the injected casting material is supported by means of movable components of the molding tool.