DE102024001617A1

DE102024001617A1 - Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen Fügepartnern, insbesondere Blechen, aus vorzugsweise unterschiedlichen Materialien und entsprechende Verbindung

Info

Publication number: DE102024001617A1
Application number: DE102024001617.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Hermes
Original assignee: Fachhochschule Suedwestfalen Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Fachhochschule Suedwestfalen Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2024-05-17
Filing date: 2024-05-17
Publication date: 2025-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen Fügepartnern (2, 3), bei dem mittels gegengleich ausgebildeter und ineinander gefügter Oberflächenstrukturen (8, 9) eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen den Fügepartnern (2, 3) hergestellt wird. Hierbei werden die Oberflächenstrukturen (8, 9) randseitig in mindestens je einem sich in zu fügender Lage der Fügepartner (2, 3) zueinander überlappenden Randbereich angeordnet, wobei zumindest der Randbereich des ersten Fügepartners (2) umformtechnisch derart verformt wird, dass die Dickenabmessungen in diesem Randbereich verringert und die Oberflächenstrukturen (8, 9) in den dickenreduzierten Randbereich (7) eingebracht werden, die zu den Oberflächenstrukturen (8, 9) des Randbereichs des ersten Fügepartners (2) passenden Oberflächenstrukturen (8, 9) in den Randbereich des zweiten Fügepartners (3) eingebracht werden, und erster und zweiter Fügepartner (2, 3) so einander abschnittsweise überlappend zueinander positioniert werden, dass die einander zuzuordnenden Oberflächenstrukturen (8, 9) der Randbereiche der beiden Fügepartner (2, 3) passend zueinander zu liegen kommen, und diese Randbereiche mit den Oberflächenstrukturen (8, 9) umformtechnisch miteinander gefügt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen Fügepartnern, insbesondere zwischen Blechen, aus vorzugsweise unterschiedlichen Materialien gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine entsprechende Verbindung gemäß Oberbegriff des Anspruches 14.
In den letzten Jahren zeigt sich ein verstärkter Trend zur Verwendung von Multimaterialstrukturen in Fahrzeugen. Dieser wird noch verstärkt durch die erhöhten Leichtbau- und Sicherheitsanforderungen im Bereich der Karosserie. Das bedingt häufig, dass verschiedene Metallblechstrukturen miteinander gefügt werden müssen. Die Fügetechnik ist hierbei in einem starken Wandel, da aus Gründen der Crashsicherheit weiche verformbare Blechwerkstoffe oftmals mit hoch- oder ultrahochfesten Werkstoffen gefügt werden müssen, da sowohl ein guter Insassenschutz der Fahrgastzelle als auch eine Energieaufnahme im Crashfall von der Fahrgastzelle angebundenen Bereichen eines Kraftfahrzeugs gewünscht wird. Die Verwendung von Schweißverbindungen ist dabei sehr problematisch, da insbesondere hochfeste Karosseriewerkstoffe in der Regel nur eine geringe Schweißbarkeit aufweisen. Unmöglich sind nach derzeitigem Stand die schweißtechnische Verbindung von Aluminiumwerkstoffen mit Stahlwerkstoffen, obwohl diese Verbindungen in modernen Leichtbaukarosserien im Trend sind.
Ein weiterer Aspekt bleibt beim Fahrzeugleichtbau in der aktuellen Betrachtung häufig völlig unberücksichtigt: Insbesondere Mobilitätssysteme wie Kraftfahrzeug-Strukturen weisen mit der Verwendung von Multimaterialstrukturen unzureichende Voraussetzungen für eine Umsetzbarkeit von Recyclingverfahren, die sogenannten R-Strategien aufgrund einer großen Bandbreite schwer trennbarer Fügemethoden auf. Die Rohkarosserien werden daher aktuell nicht sortenrein in den Wertstoffkreislauf zurückgegeben. Eine wichtige Fragestellung ist daher, inwieweit eine verbesserte Zerlegbarkeit dieser Strukturen ermöglicht werden kann.
Die aktuelle Fügetechnik weist hier deutliche Nachteile auf. Schweißverbindungen sind mit modernen Leichtbauwerkstoffen und Multimaterialverbindungen oftmals schwer einsetzbar und beim Lebenszyklusende ergibt sich eine schlechte Trennbarkeit der Verbindungen. Klebverbindungen sind mit vielen Nachteilen, beispielsweise der Alterung und der begrenzten Festigkeit, verbunden. Die Relevanz wird in der Altfahrzeug-Verordnung (2020) dargelegt. Die sortenreine Trennung im Bereich der Rohkarosserie ist bislang aufgrund der Fügeverbindungen nur bedingt realisierbar.
Falzverbindungen sind problematisch in der Realisierung von stumpfen Blechverbindungen, da die Umformoperationen komplex sind und schwierig im Karosseriebau einsetzbar sind.
Niet- und Clinchverbindungen, bei denen Materialabschnitte der zu verbindenden Materialien umformtechnisch miteinander verpresst oder Niete in Bohrungen der zu verbindenden Bauteile eingesteckt und endseits verpresst werden, bieten nur eine punktförmige Lastübertragung.
Aus dem Stand der Technik ergeben sich einige Ansätze, Multimaterialverbindungen durch andersartige Fügetechniken miteinander zu verbinden.
Die JP 04 182 007 A offenbart ein Verfahren zum Verbinden von Blechen, die an den Rändern kämmende Strukturen wie bei einem Puzzle zur Verbindung der Puzzleteile miteinander aufweisen. Diese werden allerdings stoßend ineinander geführt.
Auf der Internetseite der RWTH Aachen „https://www.ibf.rwth-aachen.de/cms/ IBF/Forschung/ Querschnittsthemen/-peqi/Werkstoffe-verbinden/“ wird von Aron Ringel unter der Überschrift „Formschlüssiges Walzen“ eine Verbindungstechnik durch Verklammerung von Oberflächenstrukturen durch umformtechnische oder gießtechnische Verbundherstellung angegeben. Hierzu werden mittels eine Bandprofilierwalzwerkes flächendeckend Kanalstrukturen in eine der zu verbindenden Oberflächen eingebracht und ggf. mit Hinterschnitten versehen. Der andere Fügepartner wird dann umformtechnisch oder gießtechnisch vollflächig mit dieser vorbereiteten Oberfläche verbunden.
Aus der US 3131471 ist ebenfalls ein Verfahren zum flächigen Fügen von Blechen mittels Walzen bekannt, wobei in den Blechen vor dem Walzen flächig begrenzt Mikrostrukturen eingebracht werden, die sich aber über die gesamte Oberfläche der Fügepartner gleichmäßig verteilen. Dabei haben das obere und das untere Blech jeweils kämmende Strukturen und werden walztechisch an diesen Mikrostrukturen über ihre ganze Fläche miteinander verbunden.
Nachteilig an diesen Verbindungen ist vor allem, das ein Wiederauftrennen dieser Verbindungen etwa zum Recycling (gemäß sog. R-Strategien), aber auch etwa bei Reparaturen nahezu unmöglich zerstörungsfrei ausgeführt werden kann, da sich die Bleche vollflächig überdecken und miteinander verbunden sind. Dadurch ist zwar die Verbindung Bleche unterschiedlicher Materialien möglich, gerade in Bezug auf die R-Strategien sind die erzeugten Multimaterialbleche aber nicht besser als z.B. verschweißte oder verklebte Bleche.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verbesserung der Verbindung von insbesondere Blechen aus z.B. verschiedenen Werkstoffen zu ermöglichen, die sich zumindest abschnittsweise überdecken und bei denen eine verbesserte Trennung voneinander etwa zu Recyclingzwecken ermöglicht werden soll.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich Erfindung hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich der Verbindung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 14 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung hinsichtlich des Verfahrens geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen Fügepartnern, insbesondere zwischen Blechen, aus vorzugsweise unterschiedlichen Materialien, bei dem mittels gegengleich ausgebildeter und ineinander gefügter Oberflächenstrukturen eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen den Fügepartnern hergestellt wird. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, indem die gegengleich ausgebildeten und ineinander zu fügenden Oberflächenstrukturen der Fügepartner randseitig in mindestens je einem sich in zu fügender Lage der Fügepartner zueinander überlappenden Randbereich angeordnet werden, wobei zumindest der Randbereich des ersten Fügepartners umformtechnisch derart verformt wird, dass die Dickenabmessungen in diesem Randbereich verringert und die Oberflächenstrukturen in den dickenreduzierten Randbereich eingebracht werden, die zu den Oberflächenstrukturen des Randbereichs des ersten Fügepartners passenden Oberflächenstrukturen in den Randbereich des zweiten Fügepartners, vorzugsweise unter Reduzierung der Dickenabmessungen auch in diesem Randbereich, eingebracht werden, erster und zweiter Fügepartner so einander abschnittsweise überlappend zueinander positioniert werden, dass die einander zuzuordnenden Oberflächenstrukturen der Randbereiche der beiden Fügepartner passend zueinander zu liegen kommen, und diese Randbereiche mit den Oberflächenstrukturen umformtechnisch miteinander gefügt werden.
Dabei werden die beiden zu fügenden Fügepartner wie z.B. Bleche jeweils in den später aneinander festzulegenden Randbereichen mit ineinander passenden Oberflächenstrukturen wie z.B. Rillen, Vorsprüngen, Hakenstrukturen oder dgl. Formen versehen. Diese können in Fügerichtung glatt, etwa prismatisch sein oder aber auch Hinterschneidungen aufweisen und ähnliche wie Schlüssel und Schloss ineinanderpassen. Hierbei werden der oder die Randbereiche zusätzlich in ihrer Dicke z.B. umformtechnisch reduziert, so dass sich nach dem Fügen der beiden Fügepartner im sich überlappenden Randbereich im Wesentlichen wieder die Dicke ergibt, die die Fügepartner vor der Umformung hatten. Die Fügepartner werden dann in den aneinander festzulegenden Randbereichen kämmend übereinandergelegt und so miteinander umformtechnisch gefügt, dass das gefügte Blech eine etwa gleichmäßige Dicke aufweist. Es entsteht eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige, aber vorzugsweise reversible Verbindung zwischen den Oberflächenstrukturen der Randbereiche der beiden Fügepartner. Dabei soll die Materialdicke innerhalb der Fügezone insgesamt weitgehend den Ausgangsblechstärken der Fügepartner entsprechen und keine Aufdickungen und Überlappungen aufweisen. Hierzu wird in zwei Prozessschritten die Fügeverbindung aufgebaut:

• Der erste Schritt ist die Vorbereitung der Randbereiche der Fügepartner durch einen vorzugsweise umformtechnischen Prozess. Beispielsweise kann mittels Blechmassivumformen durch Walzen oder ein inkrementelles Schmieden die Dicke der Randbereiche verringert und die Oberflächenstrukturen in die Randbereiche der Fügepartner eingebracht werden. Dies erfolgt in der Regel bei beiden Fügepartnern symmetrisch.
• Im zweiten Schritt werden die Fügepartner zueinander derart positioniert, dass die Oberflächenstrukturen der Randbereiche zueinander passend übereinander zu liegen kommen. Es folgt dann ein zweiter Umformschritt, der die beiden Randbereiche mittels der Oberflächenstrukturen form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbindet. Dies wiederum kann durch einen Walzprozess oder ein inkrementelles Umformen mit linearer Werkzeugbewegung erfolgen.

Hierdurch wird zwischen den sich überlappenden Randbereichen der Fügepartner eine innige, aber vorteilhaft wieder lösbare Verbindung geschaffen, die zudem hinsichtlich der Geometrie und Dicke der Fügepartner so ausgelegt werden kann, dass sie gleich oder nur wenig dicker als die Dicke der Fügepartner vor der Verbindung ist. Damit lassen sich quasi glatte Übergänge zwischen Fügepartnern auch unterschiedlicher Materialien herstellen, wie sie etwa im Bereich des Karosseriebaus von Vorteil sind.
Von Vorteil ist es, wenn die Oberflächenstrukturen der Randbereiche der beiden Fügepartner vorzugsweise prismatisch ineinander fügbar und/oder Hinterschneidungen aufweisend ausgebildet werden und passend ineinander greifen. Werden etwa auf einem Fügepartner im Randbereich prismatisch ausgebildete, von dem Randbereich abstehende Vorsprünge vorgesehen und in dem Randbereich des anderen Fügepartners entsprechende Vertiefungen, so können dieses prismatischen Vorsprünge und Vertiefungen senkrecht zur Ebene des Randbereichs kraftschlüssig gefügt werden. Gleichzeitig wirken die Vorsprünge und Vertiefungen parallel zur Ebene des Randbereichs formschlüssig miteinander und erlauben dadurch eine hohe Belastbarkeit der Verbindung parallel zur Ebene des Randbereichs. Es ist daher mit Hilfe der vielfach variierbaren Form der zueinander passenden Oberflächenstrukturen der Randbereiche, die Verbindung zwischen den Fügepartnern belastungsgerecht zu gestalten. Gleichzeitig ist es aber auch möglich, etwa im Rahmen des Recycling der Fügepartner die Verbindung relativ einfach wieder zu lösen, indem die Verbindung entlang der kraftschlüssig festgelegten Richtung wieder derart zu belasten, dass sich die kraftschlüssige Verbindung wieder trennt und die Fügepartner dadurch voneinander gelöst werden können. Dies vereinfacht die sortenreine Trennung ungemein.
Von Vorteil ist es, wenn die Verbindung zwischen den Fügepartnern so gestaltet wird, dass abhängig von der Hauptbelastung der Verbindung zwischen den Fügepartnern die Oberflächenstrukturen der beiden Fügepartner formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Dies kann durch die Form und die Anordnung der Oberflächenstrukturen wie z.B. linienförmige Strukturen wie etwa Rillen oder punktuelle Strukturen wie etwa lokale Vorsprünge und Vertiefungen erreicht werden. Eine Variation und Kombination derartiger Oberflächenstrukturen sind dabei keine Grenzen gesetzt. Insbesondere die Gestaltung der Formschlüssigkeit lässt hierbei viele Möglichkeiten der Beeinflussung der Festigkeit der Verbindung zwischen den Oberflächenstrukturen zu.
Von Bedeutung ist es, dass bei der Herstellung der Verbindung der randseitigen Oberflächenstrukturen Umformoperationen ausgeführt werden, die zu Werkstoffverschiebungen innerhalb der Fügezone führen und, vorzugsweise mehrere, Hinterschnitte zwischen den verbundenen Oberflächenstrukturen der Fügepartner erzeugen. Hierbei kann neben einem reinen Zusammendrücken der Oberflächenstrukturen der beiden Fügepartner etwa durch Walzen auch dafür gesorgt werden, dass sich die Oberflächenstrukturen der Fügepartner nach dem eigentlichen Fügen noch stärker miteinander verklammern und damit die Festigkeit der Verbindung erhöhen. So ist es z.B. denkbar, dass durch die Umformoperationen gezielt das Material der Oberflächenstrukturen eines der Fügepartner in Bereiche der Oberflächenstrukturen des anderen Fügepartners hinein fließt, dass dort vorhandene hinterschnittene Bereiche gefüllt werden und die Oberflächenstrukturen sich innig miteinander verhaken. Hierzu können etwa Vorsprünge des einen Fügepartners so umformtechnisch verformt werden, dass sie hinterschnittene Bereiche der Oberflächenstrukturen des anderen Fügepartners hintergreifen und sich an diesen verklammern. Denkbar ist es hierbei, dass die Umformoperationen zur Herstellung der Hinterschnitte durch mehrstufige und/oder kurvenförmig ausgeführte Werkzeugbewegungen von Umformwerkzeugen vorgenommen werden, die das Material der Oberflächenstrukturen eines der Fügepartner seitlich zu der Ebene des Randbereich des Fügepartners verschieben.
In weiterer Ausgestaltung kann das Einbringen der randseitigen Oberflächenstrukturen der beiden Fügepartner und/oder das Fügen der randseitigen Oberflächenstrukturen der beiden Fügepartner miteinander durch Massivumformung, insbesondere Blechmassivumformung mittels Walzen, oder inkrementelles Umformen, vorzugsweise Schmieden mit vorzugsweise linearer Werkzeugbewegung, vorgenommen werden. Derartige Verfahren lassen sich einfach durchführen und auch automatisieren, so dass eine wiederholbare und damit gleichmäßige Umformung der Oberflächenstrukturen erfolgt. Auch können diese Umformverfahren einfach in Serienprozessen, vorzugsweise beim Pressen von insbesondere Karosserieteilen oder in Biegepressen vorgenommen werden und erlaube damit hohe Stückzahlen der hergestellten Verbindung in kurzer Zeit. Es ist allerdings auch denkbar, dass das Einbringen der randseitigen Oberflächenstrukturen der beiden Fügepartner und/oder das Fügen der randseitigen Oberflächenstrukturen der beiden Fügepartner miteinander mit Hilfe von Fügewerkzeugen, vorzugsweise in Form von Roboter geführten Werkzeugen, oder Handwerkzeugen vorgenommen wird. Dies ist etwa für kleine Serien oder Einzelwerkstücke sinnvoll, ggf. auch für komplexe Umformungen der Oberflächenstrukturen, die bestimmte Kinematiken der Bewegung des Umformwerkzeuges erfordern.
Weiterhin ist es denkbar, dass eine zusätzliche Wärmeeinbringung durch induktions-, konduktions- oder laserbasierter Erwärmung der Randbereiche erfolgt, um die Kaltverfestigung des mindestens einen Randbereichs durch die Reduzierung seiner Dickenabmessungen zu begrenzen. Hierdurch wird eine gezielte Beeinflussung der Fügepartner in den einander zugeordneten Randbereichen möglich, was dazu genutzt werden kann, dass die Festigkeit der Fügepartner in den Randbereichen nach der Dickenreduzierung und der Umformung gezielt der ursprünglichen Festigkeit der Fügepartner wieder angenähert wird oder dieser entspricht.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Verbindung der randseitigen Oberflächenstrukturen der beiden Fügepartner derart ausgebildet wird, dass die Verbindung in einer Richtung, vorzugsweise der üblichen Belastungsrichtung der Verbindung, als formschlüssige Verbindung wirkt, jedoch in einer Trennrichtung kraftschlüssig wirkt. Hierdurch wird in die Verbindung quasi eine kodierte Festigkeitsverteilung eingebaut, die am Lebensende der Fügepartner zu einer einfachen und gezielten Trennung der Fügepartner voneinander genutzt werden kann. Sorgt man dafür, dass die Oberflächenstrukturen der beiden Fügepartner in einer Belastungsrichtung, typischerweise der Hauptbelastungsrichtung formschlüssig ist, in einer dazu etwa senkrechten Belastungsrichtung, der Trennrichtung, aber kraftschlüssig erfolgt, so kann durch Belastung der Verbindung in der senkrechten Belastungsrichtung gezielt eine Trennung der Verbindung herbeigeführt werden, die einfach auszuführen ist und eine saubere Trennung der Fügepartner und damit ein sortenreines Recycling ermöglicht. Durch Belastung der kraftschlüssigen Verbindung mit einer Trennkraft in der Trennrichtung wird dann ein Auftrennen der Verbindung bewirkt und eine sortenreine Trennung der Fügepartner zum Ende des Lebenszyklus der Fügepartner ermöglicht. Dies kann etwa durch Werkzeuge erreicht werden, die für die Materialtrennung günstige Kräfte auf die, vorzugsweise in Wirkung der Auftrennkraft, kraftschlüssige Fügeverbindung der randseitigen Oberflächenstrukturen wirken lassen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verbindung zwischen Fügepartnern, insbesondere zwischen Blechen, aus vorzugsweise unterschiedlichen Materialien, mit gegengleich ausgebildeten und ineinander fügbaren Oberflächenstrukturen zur Herstellung einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung zwischen den Fügepartnern. Die Vorteile und Eigenschaften einer derartigen Verbindung wurden schon zu dem erfindungsgemäßen Verfahren ausführlich erläutert und dargestellt, so dass an dieser Stelle hierauf vollumfänglich Bezug genommen werden soll.
Ebenfalls betrifft die Erfindung Fügepartner, verbunden mittels einer Verbindung von miteinander gefügten randseitigen Oberflächenstrukturen gemäß Anspruch 14.
Es zeigen:

1 - eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Stadienplans über die Verformung des Randbereichs des ersten Fügepartners bis zur umformtechnischen Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung mit dem zweiten Fügepartner,
2 - eine alternative Gestaltung einer kraftschlüssigen Verbindung gemäß 1,
3a, 3b - Darstellung von Möglichkeiten zur Auftrennung der kraftschlüssigen Verbindung gemäß 1 etwa zur Vorbereitung eines sortenreinen Recyclings,
4 - eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Stadienplans über die Verformung des Randbereichs des ersten Fügepartners bis zur umformtechnischen Herstellung der formschlüssigen Verbindung mit dem zweiten Fügepartner,
5 - eine alternative Gestaltung einer mehrfach formschlüssigen Verbindung gemäß 4.

In der 1 ist eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Stadienplans über die Verformung des Randbereichs des ersten Fügepartners 2 bis zur umformtechnischen Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung 1 mit dem zweiten Fügepartner 3 zu erkennen. Der nur im zu verbindenden Randbereich dargestellte Fügepartner 2, hier ein Blech 2, wird gemäß den 1a bis 1d zwischen einem Oberstempel 4 und einem Gegenhalter 5 durch eine Druckkraft 6 verformt, wobei in den Oberstempel 4 Oberflächenstrukturen 8, 9 in Form eines Vorsprungs 8 und einer Einsenkung 9 eingearbeitet sind, die in den Randbereich des Fügepartners 2 eingedrückt werden und eine entsprechend gestufte Form des Randbereichs des Fügepartners 2 ergeben, wie dies in der 1c genauer zu erkennen ist. Ebenfalls wird der Randbereich des Fügepartners 2 durch den Abflachungsbereich 21 des Oberstempels 4 in seiner Dicke reduziert und fließt in den Bereich unterhalb des Oberstempels 4 und bildet nach der Umformung einen Bereich 7 geringerer Dicke. Oberstempel 4 und Gegenhalter 5 können eine lineare Kraft 6 auf den Randbereich des Fügepartners 2 ausüben, es ist aber auch denkbar, Oberstempel 4 und Gegenhalter 5 in Form von Walzen 13 auszubilden, zwischen denen der Randbereich des Fügepartners 2 hindurch geführt wird.
Nicht dargestellt, aber in analoger Weise wird der Fügepartner 3 in seinem entsprechenden Randbereich umgeformt, so dass auch er entsprechend zu den Oberflächenstrukturen 8, 9 des Fügepartners 2 passende, komplementäre Formen aufweist. Wie in den 1e bis 1h zu erkennen ist, werden die Randbereiche der Fügepartner 2, 3 in bestimmungsgemäßer Weise übereinander gelegt und die einander zugehörigen Oberflächenstrukturen 8, 9 der Fügepartner 2, 3 passend zueinander angeordnet. Durch Aufbringen einer Druckkraft 6 von passend geformtem Oberstempel 4 und Gegenhalter 5 werden aufgrund der Formgebung von Oberstempel 4 und Gegenhalter 5 die zu verformenden Abschnitte der Fügepartner 2, 3 ineinander gedrückt und bilden eine kraftschlüssige Verbindung der Fügepartner 2, 3 miteinander. Hierzu legen sich die Oberflächenstrukturen 8, 9 in Form eines Vorsprungs 8 und einer Einsenkung 9 des ersten Fügepartners 2 in die jeweilige Gegenform 9, 8 des zweiten Fügepartners 3 ein und werden aufgrund der Umformkraft 6 ineinander gedrückt. Hierdurch bildet sich eine innige Verbindung dieser Oberflächenstrukturen 8, 9 der Fügepartner 2, 3 miteinander, die in Richtung der Kraftwirkung der Kraft 6 kraftschlüssig wirkt. Wird hingegen die so gebildete Verbindung 1 in Richtung der Blechebene der Fügepartner 2, 3, also etwa auf Zug, belastet, so wirken die Oberflächenstrukturen 8, 9 der Fügepartner 2, 3 formschlüssig miteinander, wodurch in dieser Richtung eine wesentlich höhere Belastbarkeit der Verbindung 1 als in Richtung der Kraftwirkung der Kraft 6 vorliegt. Der gefügte Zustand der Verbindung 1 nach der zweiten Umformung ist in den 1g und 1h besser zu erkennen. Gemäß 1i kann diese Umformung zum Fügen der Fügepartner 2, 3 auch mittels Walzen 13 erfolgen, wobei an den dem Oberstempel 4 und dem Gegenhalter 5 entsprechenden Walzen 13 Schrägen 11 in entsprechender Weise angearbeitet sein können, die zusätzlich zum Verpressen des abgeflachten Endbereichs 7 der Randbereiche der Fügepartner 2, 3 und zum Einlegen dieser Endbereiche 7 in die Vertiefungen 12 dienen und eine weitgehend glatte Gestaltung des Bereichs der Verbindung 1 erlauben. Der Bereich der Verbindung 1 ist nur unwesentlich dicker als die Ausgangsdicke der Fügepartner 2, 3, was insbesondere in sichtbaren Bereichen der als Bleche ausgebildeten Fügepartner 2, 3 etwa an einer Karosserie von Vorteil sein kann.
Die bei dem ersten Prozessschritt der Kantenvorbereitung eingebrachte Reduzierung der Blechdicke im Bereich 7, die sich auch nach erfolgtem Fügeschritt vor allem bei einer Längsbelastung durch geringere spannungsführende Querschnitte im Vergleich zum Ausgangsmaterial der Fügepartner 2, 3 auf die Belastbarkeit der Verbindung 1 auf den ersten Blick negativ auswirkt, wird durch die Kaltverfestigung bedingt durch die Massivumformoperationen der beiden Prozessschritte geheilt. Durch die Festigkeitssteigerung entsteht festigkeitsmäßig eine gleichwertige Verbindung 1 und es kann mindestens 70 bis sogar über 100% der Ausgangsbelastbarkeit der Fügepartner 2, 3 erzielt werden. Hierbei ist es auch denkbar, durch Erwärmung des Blechs im Bereich 7 eine gezielte Beeinflussung der Kaltverfestigung vorzunehmen.
In der 2 ist in zur 1 korrespondierender Weise eine andere Gestaltung der Verbindung 1 zu erkennen, bei der die Formgebung von Oberstempel 4 und Gegenhalter 5 mit Vorsprüngen 14 eine nutartig geformte Verklammerung 15 der Fügepartner 2, 3 hervorruft. Wiederum wird der erste Fügepartner 2 mit dem vorderseitigen Abflachungsbereich 21 in seiner Dicke reduziert und gestreckt, wobei die Oberflächenstrukturen 8, 9 in Form eines Vorsprungs 8 und einer Einsenkung 9 vom Oberstempel 4 unter Kraftwirkung der Kraft 6 eingebracht werden. Der Fügepartner 2 wird anschließend mit dem entsprechend gegengleich geformten Fügepartner 3 nun zwischen andere Oberstempel 4 und Gegenhalter 5 jeweils mit Vorsprüngen 14 eingebracht, wobei die Vorsprünge 14 die Bereiche 7 geringerer Dicke der Fügepartner 2, 3 nutartig umformen und in die Vertiefungen 8 des jeweilig anderen Fügepartners 3, 2 einlegen, wie dies in 2g und 2h besser zu erkennen ist. Auch hier ist wieder eine in Kraftrichtung der Kraft 6 kraftschlüssige Verbindung 1 zwischen den Fügepartnern 2, 3 gegeben, wird hingegen die Verbindung 1 in Richtung der Blechebene der Fügepartner 2, 3 belastet, also etwa auf Zug, so wirken die Oberflächenstrukturen 8, 9 der Fügepartner 2, 3 formschlüssig miteinander. Gemäß 2i kann auch diese Umformung zum Fügen der Fügepartner 2, 3 mittels Walzen 13 erfolgen.
In der 3 ist am Beispiel der Verbindung 1 der Fügepartner 2, 3 gemäß 1 dargestellt, wie die Verbindung 1 etwa zum sortenreinen Recycling der durchaus unterschiedlichen Materialien der Fügepartner 2, 3 wieder gelöst werden kann. In der 3a ist zu erkennen, dass die Fügepartner 2, 3 mittels Klemmeinrichtungen 16 oberseitig und unterseitig geklemmt und außerhalb des Bereichs der Verbindung 1 gehalten wird. Durch Verschwenken z.B. der rechten Klemmeinrichtungen 16, die an dem Fügepartner 3 angreifen, um eine Schwenkrichtung 17, werden die kraftschlüssig aneinander festgelegten Oberflächenstrukturen 8, 9 des Fügepartners 3 aus den Oberflächenstrukturen 8, 9 des anderen Fügepartners 2 heraus gehebelt und die Verbindung 1 dadurch gelöst.
In der 3b ist eine andere Vorgehensweise zum Lösen der Verbindung 1 zu erkennen. Hierbei macht man sich zu Nutze, dass die Verbindung 1 der Fügepartner 2, 3 in Kraftrichtung der Kraft 6 kraftschlüssig ist und wesentlich geringere Belastungen aushält als in Richtung der Blechebene der Fügepartner 2, 3. Durch Trennstempel 22, die passend zu den Vertiefungen 8 bzw. den Vorsprüngen 9 bemessen und angeordnet werden, kann unter Einwirkung von Umformkräften 6 wird die kraftschlüssige Verbindung zwischen den Oberflächenstrukturen 8, 9 der Fügepartner 2, 3 gelöst und die Verbindung 1 insgesamt aufgehoben werden. Bildlich gesprochen drücken die Trennstempel 22 die Oberflächenstrukturen 8, 9 des Fügepartners 3 aus den Oberflächenstrukturen 8, 9 des Fügepartners 2 heraus, sodass Fügepartner 1 und 2 voneinander gelöst werden können.
Nach dem Fügen nach Art der Verbindung gemäß 1 wurden auf einer Universalprüfmaschine Untersuchungen durchgeführt. Zum einen wurde die Probe in Blechrichtung belastet. Dabei ergab sich eine Belastbarkeit von über 5000 N bei der betrachteten Probe. Eine zweite Probe mit der identischen Fügestrategie und identischem Werkstoff wurde mit einer Querkraft und einer Biegebelastung in einem Dreipunktbiegeversuch untersucht. Hierbei löste sich die Verbindung bereits bei 200 N. Die gezielte Einbringung von Lasten ermöglicht also eine Trennung der Verbindung 1, während unter anderen Lasten gute Festigkeitswerte erzielt werden können. Es handelt sich hier also um eine Verbindung, die eine kodierte Verbindung aufweist. Die Verbindung 1 ermöglich also bei einer gezielten Lastrichtung die Auflösung der Verbindung 1. Dies ist für die Anwendung von R-Methoden bei Multimaterialverbindungen sehr günstig, um sortenreine Trennungen zu ermöglichen.
In den 4 und 5 sind Abwandlungen der Verbindung 1 der Fügepartner 2 und 3 zu erkennen, die jeweils auch in Kraftrichtung 6 wirkende formschlüssige Anteile aufweisen. Hinsichtlich des grundsätzlichen Ablaufs der Herstellung der Verbindung 1 wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen und nur die Unterschiede erläutert.
Die Fügepartner 2 und 3 weisen durch die Gestaltung des Hinterschnitts 19 einen Formschluss auf. Durch die Elastizität des Blechwerkstoffes und Rückfederungseffekte, die bei dem Fügeschritt wirken, ist eine kraftschlüssige Verbindung in der Wirkungsweise überlagert. Die Vorbereitung erfordert dabei Umformungen, die einen Hinterschnitt 19 erzeugen und damit den Formschluss ermöglichen, wie nachfolgend beschrieben. Dies ist durch eine Mehrstufigkeit bzw. eine kurvenförmige Bewegung der Umformwerkzeuge 4, 5 und 13 erzielbar.
Auch sind verstärkte Hinterschnitte mit einem verbesserten Formschluss denkbar. Die Verbindung 1 benötigt ebenfalls die oben genannte zweistufige Vorgehensweise, der zweite Fügeschritt erfordert jedoch komplexere Umformoperationen, die zu Werkstoffverschiebungen innerhalb der Fügezone führen, die mehrere Hinterschnitte 19 erzeugen und somit eine hochwertigere und festere Verbindung 1 herstellen können.
Zur Herstellung eines für eine formschlüssige Verbindung 1 auch in Kraftrichtung der Kraft 6 wird in der 4 der Vorsprung 9, der in den 4a bis 4c in an sich bekannter Weise hergestellt wird, gemäß 4e in seiner Höhe verringert, wobei das Fließen des Materials des Vorsprungs 9 wie in der 4f angedeutet seitlich erfolgt und eine Art Nase als Hinterschnitt 19 an der Oberseite des in seiner Dicke reduzierten Vorsprungs 9 bildet. Dieser Hinterschnitt 19 kann nun beim Fügen mit den Fügepartner 3 gemäß 4g durch eine Schräge 11 des Oberstempels 4 genutzt werden, um den Bereich 7 geringerer Dicke des anderen Fügepartners 3 so umzuformen, dass ein Abschnitt den Hinterschnitt 19 umgreift und sich mit diesem Hinterschnitt 19 verklammert. Dies erfolgt symmetrisch auch am anderen Ende des Fügepartners 2, wie in den 4h und 4j zu erkennen. Diese Umformung kann wiederum mittels Walzen 13 vorgenommen werden, die die entsprechenden Schrägen 11 aufweisen.
In der Ausführung der Fügepartner 2, 3 gemäß 5 wird ebenfalls ein Hinterschnitt 19 an den Fügepartnern 2, 3 dadurch erzeugt, dass Vorsprünge 14 ein seitliches Fließen des Materials der Fügepartner 2, 3 hervorrufen und die Endbereiche des Bereichs 7 geringerer Dicke des anderen Fügepartners 3 in diese Vertiefungen 20 eingedrückt wird. Vorteilhaft bei dieser Gestaltung ist, dass die Dicke der Fügepartner 2, 3 nach dem Herstellen der Verbindung 1 identisch mit der Dicke der Fügepartner 2, 3 vor der Herstellung der Verbindung ist und damit die Fügepartner 2, 3 mit Ausnahme kleiner Rillen glatt ineinander übergehen. Dadurch ist gewährleistet, dass die Blechebene keinen geometrischen Sprung aufweist, was insbesondere für Außenhautkonturen von Karosserien von Bedeutung ist, da eine weitgehend glatte Oberfläche hergestellt werden kann.
Sachnummernliste

1: Verbindung
2: Fügepartner
3: Fügepartner
4: Stempel
5: Gegenhalter
6: Verformungsrichtung
7: Bereich geringer Dicke
8: Oberflächenstruktur Vorsprung
9: Oberflächenstruktur Einsenkung
10: Abschrägung
11: schräger Abschnitt Stempel
12: Vertiefung
13: Walze
14: Vorsprung
15: nutartige Vertiefung
16: Klemmeinrichtung
17: Schwenkrichtung
18: Schräge
19: Hinterschnitt
20: Vertiefung Hinterschnitt
21: Abflachungsbereich
22: Trennstempel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 04 182 007 A [0008]
US 3131471 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

https://www.ibf.rwth-aachen.de/cms/ IBF/Forschung/ Querschnittsthemen/-peqi/Werkstoffe-verbinden/ [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen Fügepartnern (2, 3), insbesondere zwischen Blechen, aus vorzugsweise unterschiedlichen Materialien, bei dem mittels gegengleich ausgebildeter und ineinander gefügter Oberflächenstrukturen (8, 9) eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen den Fügepartnern (2, 3) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die gegengleich ausgebildeten und ineinander zu fügenden Oberflächenstrukturen (8, 9) der Fügepartner (2, 3) randseitig in mindestens je einem sich in zu fügender Lage der Fügepartner (2, 3) zueinander überlappenden Randbereich angeordnet werden, wobei zumindest der Randbereich des ersten Fügepartners (2) umformtechnisch derart verformt wird, dass die Dickenabmessungen in diesem Randbereich verringert und die Oberflächenstrukturen (8, 9) in den dickenreduzierten Randbereich (7) eingebracht werden, die zu den Oberflächenstrukturen (8, 9) des Randbereichs des ersten Fügepartners (2) passenden Oberflächenstrukturen (8, 9) in den Randbereich des zweiten Fügepartners (3), vorzugsweise unter Reduzierung der Dickenabmessungen auch in diesem Randbereich, eingebracht werden, erster und zweiter Fügepartner (2, 3) so einander abschnittsweise überlappend zueinander positioniert werden, dass die einander zuzuordnenden Oberflächenstrukturen (8, 9) der Randbereiche der beiden Fügepartner (2, 3) passend zueinander zu liegen kommen, und diese Randbereiche mit den Oberflächenstrukturen (8, 9) umformtechnisch miteinander gefügt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Dickenabmessungen des mindestens einen Fügepartners (2, 3) so ausgeführt wird, dass nach dem Fügen der Fügepartner (2, 3) im gefügten Randbereich die Dicke der gefügten Fügepartner (2, 3) gleich oder nur geringfügig größer als die nicht verformte Dicke des einen oder beider Fügepartner (2, 3) ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturen (8, 9) der Randbereiche der beiden Fügepartner (2, 3) vorzugsweise prismatisch ineinander fügbar und/oder Hinterschneidungen (19) aufweisend ausgebildet werden und passend ineinander greifen.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturen (8, 9) der beiden Fügepartner (2, 3) formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der Verbindung der randseitigen Oberflächenstrukturen (8, 9) Umformoperationen ausgeführt werden, die zu Werkstoffverschiebungen innerhalb der Fügezone führen und, vorzugsweise mehrere, Hinterschnitte (19) zwischen den verbundenen Oberflächenstrukturen (8, 9) der Fügepartner (2, 3) erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformoperationen zur Herstellung der Hinterschnitte (19) durch mehrstufige und/oder kurvenförmig ausgeführte Werkzeugbewegungen von Umformwerkzeugen (4, 5, 13) vorgenommen werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der randseitigen Oberflächenstrukturen (8, 9) der beiden Fügepartner (2, 3) und/oder das Fügen der randseitigen Oberflächenstrukturen (8, 9) der beiden Fügepartner (2, 3) miteinander durch Massivumformung, insbesondere Blechmassivumformung mittels Walzen, oder inkrementelles Umformen, vorzugsweise Schmieden mit vorzugsweise linearer Werkzeugbewegung, vorgenommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der randseitigen Oberflächenstrukturen (8, 9) der beiden Fügepartner (2, 3) und/oder das Fügen der randseitigen Oberflächenstrukturen (8, 9) der beiden Fügepartner (2, 3) miteinander in Serienprozessen, vorzugsweise beim Pressen von insbesondere Karosserieteilen oder in Biegepressen vorgenommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der randseitigen Oberflächenstrukturen (8, 9) der beiden Fügepartner (2, 3) und/oder das Fügen der randseitigen Oberflächenstrukturen (8, 9) der beiden Fügepartner (2, 3) miteinander mit Hilfe von Fügewerkzeugen (4, 5, 13), vorzugsweise in Form von Roboter geführten Werkzeugen (4, 5, 13), oder Handwerkzeugen (4, 5, 13)vorgenommen wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Wärmeeinbringung durch induktions-, konduktions- oder laserbasierter Erwärmung der Randbereiche erfolgt, um die Kaltverfestigung des mindestens einen Randbereichs durch die Reduzierung seiner Dickenabmessungen zu begrenzen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der randseitigen Oberflächenstrukturen (8, 9) der beiden Fügepartner (2, 3) derart ausgebildet wird, dass die Verbindung in einer Richtung, vorzugsweise der üblichen Belastungsrichtung der Verbindung, als formschlüssige Verbindung wirkt, jedoch in einer Trennrichtung kraftschlüssig wirkt.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Belastung der kraftschlüssigen Verbindung mit einer Trennkraft in der Trennrichtung ein Auftrennen der Verbindung (1) bewirkt und eine sortenreine Trennung der Fügepartner (2, 3) zum Ende des Lebenszyklus der Fügepartner (2, 3) ermöglicht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftrennen der kraftschlüssigen Verbindung durch Werkzeuge (4, 5) erreicht wird, die für die Materialtrennung günstige Kräfte (6) auf die, vorzugsweise in Wirkung der Auftrennkraft, kraftschlüssige Fügeverbindung (1) der randseitigen Oberflächenstrukturen (8, 9) wirken lassen.
Verbindung (1) zwischen Fügepartnern (2, 3), insbesondere zwischen Blechen, aus vorzugsweise unterschiedlichen Materialien, mit gegengleich ausgebildeten und ineinander fügbaren Oberflächenstrukturen (8, 9) zur Herstellung einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung zwischen den Fügepartnern (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass die gegengleich ausgebildeten und ineinander zu fügenden Oberflächenstrukturen (8, 9) der Fügepartner (2, 3) randseitig in mindestens je einem sich in zu fügender Lage der Fügepartner (2, 3) zueinander überlappenden Randbereich angeordnet sind, wobei ein Umformvorgang die Dickenabmessungen zumindest des Randbereichs des ersten Fügepartners (2) verringert und die Oberflächenstrukturen (8, 9) in den dickenreduzierten Randbereich (7) einbringt, ein Umformvorgang die zu den Oberflächenstrukturen (8, 9) des Randbereichs des ersten Fügepartners (2) passenden Oberflächenstrukturen (8, 9) in den Randbereich des zweiten Fügepartners (3), vorzugsweise unter Reduzierung der Dickenabmessungen auch in diesem Randbereich, einbringt, erster und zweiter Fügepartner (2, 3) so einander abschnittsweise überlappend zueinander mit den Oberflächenstrukturen (8, 9) der Randbereiche der beiden Fügepartner (2, 3) passend zueinander zu liegen kommen, und ein Umformvorgang diese Randbereiche mit den Oberflächenstrukturen (8, 9) umformtechnisch miteinander verbindet.
Verbindung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der gefügten Fügepartner (2, 3) in dem überlappenden Randbereich gleich oder nur geringfügig größer als die nicht verformte Dicke des einen oder beider Fügepartner (2, 3) ist.
Verbindung (1) gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturen (8, 9) der Randbereiche der beiden Fügepartner (2, 3) vorzugsweise prismatisch ineinander fügbar und/oder Hinterschneidungen (19) aufweisend ausgebildet sind.
Verbindung (1) gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturen (8, 9) der beiden Fügepartner (2, 3) nach dem verbindenden Umformvorgang formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Verbindung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssig wirkenden Oberflächenstrukturen (8, 9) der beiden Fügepartner (2, 3) zueinander passende Hinterschneidungen (19) aufweisen.
Verbindung (1) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Randbereiche der beiden Fügepartner (2, 3) vor und/oder während und/oder nach dem fügenden Umformvorgang erwärmbar sind, um Kaltverfestigungen der Randbereiche zu vermindern oder zu beseitigen.
Verbindung (1) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der randseitigen Oberflächenstrukturen (8, 9) der beiden Fügepartner (2, 3) derart ausgebildet ist, dass die Verbindung (1) in einer Richtung, vorzugsweise der üblichen Belastungsrichtung der Verbindung (1), als formschlüssige Verbindung (1) wirkt, jedoch in einer Trennrichtung kraftschlüssig ist.
Verbindung (1) gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennkraft (6) in der Trennrichtung ein Auftrennen der kraftschlüssigen Verbindung (1) bewirkt und eine sortenreine Trennung der Fügepartner (2, 3) zum Ende des Lebenszyklus der Fügepartner (2, 3) ermöglicht.
Fügepartner (2, 3) verbunden mittels einer Verbindung von miteinander gefügten randseitigen Oberflächenstrukturen (8, 9) gemäß Anspruch 14.