DE102024001617A1 - Method for producing a connection between joining partners, in particular sheets, made of preferably different materials and corresponding connection - Google Patents
Method for producing a connection between joining partners, in particular sheets, made of preferably different materials and corresponding connectionInfo
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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. The invention relates to a method for producing a connection between joining partners (2, 3) in which a form-fitting and/or force-fitting connection between the joining partners (2, 3) is produced by means of identically designed and interlocked surface structures (8, 9). Here, the surface structures (8, 9) are arranged at the edge in at least one overlapping edge region of the joining partners (2, 3) in the position to be joined, wherein at least the edge region of the first joining partner (2) is deformed by forming such that the thickness dimensions in this edge region are reduced and the surface structures (8, 9) are introduced into the thickness-reduced edge region (7), the surface structures (8, 9) corresponding to the surface structures (8, 9) of the edge region of the first joining partner (2) are introduced into the edge region of the second joining partner (3), and the first and second joining partners (2, 3) are positioned in a section-by-section overlapping manner such that the corresponding surface structures (8, 9) of the edge regions of the two joining partners (2, 3) are aligned with each other, and these edge regions with the surface structures (8, 9) are joined together by forming. become.
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.The invention relates to a method for producing a connection between joining partners, in particular between sheets, made of preferably different materials according to the preamble of claim 1, and to a corresponding connection according to the preamble of claim 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.In recent years, there has been a growing trend towards the use of multi-material structures in vehicles. This trend is further intensified by the increased demands for lightweight construction and safety in the area of vehicle bodies. This often necessitates the joining of various sheet metal structures. Joining technology is undergoing significant change in this area, as soft, deformable sheet metal materials often need to be joined with high- or ultra-high-strength materials for crash safety reasons. This is because both good occupant protection in the passenger compartment and energy absorption in the event of a crash by the areas of the vehicle connected to the passenger compartment are desired. The use of welded joints is very problematic in this context, as high-strength body materials, in particular, generally exhibit poor weldability. Currently, welding aluminum and steel materials is not feasible, even though these connections are trending in modern lightweight vehicle bodies.
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.Another aspect is often completely overlooked in current discussions about lightweight vehicle construction: Mobility systems, particularly vehicle structures, often employ multi-material structures that present insufficient conditions for implementing recycling processes, the so-called R-strategies, due to a wide range of joining methods that are difficult to separate. As a result, car bodies are currently not returned to the recycling loop in a sorted manner. An important question, therefore, is to what extent improved disassembly of these structures can be achieved.
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.Current joining technologies have significant drawbacks. Welded joints are often difficult to implement with modern lightweight materials and multi-material connections, and at the end of their life cycle, the joints are difficult to separate. Adhesive bonds are associated with many disadvantages, such as aging and limited strength. The relevance of these issues is outlined in the End-of-Life Vehicles Directive (2020). Currently, the separation of materials by type in the body-in-white stage is only partially achievable due to the existing joining methods.
Falzverbindungen sind problematisch in der Realisierung von stumpfen Blechverbindungen, da die Umformoperationen komplex sind und schwierig im Karosseriebau einsetzbar sind.Folded joints are problematic in the realization of butt sheet metal joints, as the forming operations are complex and difficult to use in car body construction.
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.Rivet and clinch connections, in which sections of material to be joined are pressed together using forming techniques or rivets are inserted into bores of the components to be joined and pressed at the end, only offer a point-like load transfer.
Aus dem Stand der Technik ergeben sich einige Ansätze, Multimaterialverbindungen durch andersartige Fügetechniken miteinander zu verbinden.The current state of the art offers several approaches to joining multi-material connections using different joining techniques.
Die
Auf der Internetseite der RWTH Aachen „
Aus der
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.A major disadvantage of these connections is that they can be almost impossible to separate non-destructively, for example for recycling (according to so-called R-strategies) or for repairs, because the sheets completely overlap and are bonded together. While this allows for the joining of sheets of different materials, the resulting multi-material sheets are no better than, for example, welded or bonded sheets, especially with regard to R-strategies.
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.The object of the present invention is therefore to enable an improvement in the joining of, in particular, sheets made of, for example, different materials which overlap at least partially and in which improved separation from each other is to be made possible, for example for recycling purposes.
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.The solution to the problem according to the invention is achieved with respect to the method by the characterizing features of claim 1 and with respect to the connection by the characterizing features of claim 14 in conjunction with the features of the respective preamble. Further advantageous embodiments of the invention are set forth in the dependent claims.
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.The invention relating to the method is based on a method for producing a connection between joining partners, in particular between sheets, made of preferably different materials, in which a form-fitting and/or force-fitting connection between the joining partners is produced by means of identically designed and interlocked surface structures. Such a generic method is further developed in accordance with the invention by arranging the identically formed and interlocking surface structures of the joining partners at their edges in at least one edge region each, which overlaps with each other in the position to be joined of the joining partners, wherein at least the edge region of the first joining partner is deformed by forming technology in such a way that the thickness dimensions in this edge region are reduced and the surface structures are introduced into the thickness-reduced edge region, the surface structures matching the surface structures of the edge region of the first joining partner are introduced into the edge region of the second joining partner, preferably also reducing the thickness dimensions in this edge region, the first and second joining partners are positioned in a section-by-section overlapping manner so that the corresponding surface structures of the edge regions of the two joining partners are aligned with each other, and these edge regions with the surface structures are joined together by forming technology.
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.
- • The first step is the preparation of the edge areas of the joining partners, preferably through a forming process. For example, sheet metal forming by rolling or incremental forging can reduce the thickness of the edge areas and introduce surface structures into the edge areas of the joining partners. This is generally done symmetrically on both joining partners.
- • In the second step, the joining partners are positioned relative to each other so that the surface structures of the edge areas align perfectly. This is followed by a second forming step that joins the two edge areas together using the surface structures, either through a form-fit and/or force-fit connection. This can be achieved through a rolling process or incremental forming with linear tool movement.
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.This creates a close, yet advantageously detachable, connection between the overlapping edges of the joining partners. Furthermore, this connection can be designed with respect to the geometry and thickness of the joining partners so that it is equal to, or only slightly thicker than, the thickness of the joining partners before joining. This allows for virtually seamless transitions between joining partners, even those made of different materials, which is particularly advantageous in automotive body construction.
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.It is advantageous if the surface structures of the edge regions of the two joining partners are preferably designed to be prismatically interlocked and/or to have undercuts, and thus interlock appropriately. For example, if prismatically shaped projections extending from the edge region are provided on one joining partner and incorporated into the edge region... If the surfaces of the joining partners have corresponding recesses, these prismatic projections and recesses can be joined force-fitted perpendicular to the plane of the edge region. Simultaneously, the projections and recesses interlock in a form-fit manner parallel to the plane of the edge region, thus enabling a high load-bearing capacity of the connection parallel to the plane of the edge region. Therefore, the connection between the joining partners can be designed to withstand the load by using the highly variable shapes of the matching surface structures of the edge regions. At the same time, it is also possible, for example during recycling of the joining partners, to relatively easily disassemble the connection by subjecting it to a load along the force-fit direction in such a way that the force-fit connection separates and the joining partners can be separated. This greatly simplifies the separation of materials by type.
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.It is advantageous if the connection between the joining partners is designed in such a way that, depending on the main load on the connection, the surface structures of both partners are positively and/or force-fitted. This can be achieved through the shape and arrangement of the surface structures, such as linear structures like grooves or point structures like local protrusions and depressions. There are no limits to the variation and combination of such surface structures. In particular, the design of the positive fit allows for many possibilities influencing the strength of the connection between the surface structures.
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.It is important that forming operations are performed during the joining of the edge surface structures. These operations lead to material displacements within the joining zone and preferably create multiple undercuts between the joined surface structures of the joining partners. In addition to simply compressing the surface structures of the two joining partners, for example by rolling, it is also possible to ensure that the surface structures of the joining partners interlock even more strongly after the actual joining process, thus increasing the strength of the connection. For example, it is conceivable that the forming operations specifically cause the material of the surface structures of one joining partner to flow into areas of the surface structures of the other joining partner, filling existing undercut areas and causing the surface structures to interlock intimately. For this purpose, protrusions of one joining partner can be deformed in such a way that they engage undercut areas of the surface structures of the other joining partner and interlock with them. It is conceivable that the forming operations for producing the undercuts are carried out by multi-stage and/or curved tool movements of forming tools, which move the material of the surface structures of one of the joining partners laterally to the plane of the edge area of the joining partner.
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.In a further embodiment, the introduction of the edge surface structures of the two joining partners and/or the joining of the edge surface structures of the two joining partners to each other can be carried out by bulk forming, in particular sheet metal bulk forming by rolling, or incremental forming, preferably forging with preferably linear tool movement. Such processes are easy to perform and can also be automated, so that a repeatable and therefore uniform forming of the surface structures is achieved. These forming processes can also be easily carried out in series production, preferably during the pressing of body parts in particular or in press brakes, thus allowing for high production volumes of the joint in a short time. However, it is also conceivable that the introduction of the edge surface structures of the two joining partners and/or the joining of the edge surface structures of the two joining partners to each other is carried out with the aid of joining tools, preferably in the form of robot-guided tools, or hand tools. This is useful for small series or individual workpieces, and possibly also for complex forming of surface structures that require certain kinematics of the movement of the forming tool.
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.Furthermore, it is conceivable that additional heat input can be achieved through induction, conduction, or laser-based heating of the edge regions to limit work hardening of at least one edge region by reducing its thickness. This allows for targeted control of the joining partners in their respective edge regions, which can be used to restore the strength of the joining partners in the edge regions after thickness reduction and forming to approximately or equal to their original strength.
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.It is particularly advantageous if the connection of the edge surface structures of the two joining partners is designed in such a way that the connection is in one direction, preferably the usual one. The connection acts as a positive-locking connection in one direction of loading, but as a force-locking connection in a separation direction. This effectively incorporates a coded strength distribution into the connection, which can be used at the end of the joining partners' service life for a simple and targeted separation of the joining partners. If the surface structures of the two joining partners are designed to be positive-locking in one loading direction, typically the main loading direction, but force-locking in a roughly perpendicular loading direction, the separation direction, then a controlled separation of the connection can be achieved by loading the connection in the perpendicular loading direction. This separation is simple to execute and allows for clean separation of the joining partners, thus enabling single-material recycling. By loading the force-locking connection with a separation force in the separation direction, the connection is then broken, enabling the single-material separation of the joining partners at the end of their service life. This can be achieved, for example, by tools that exert forces favorable for material separation on the friction-fit joining of the edge surface structures, preferably in effect of the separating force.
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.The invention further relates to a connection between joining partners, in particular between sheets, preferably made of different materials, with identically designed and interlocking surface structures for producing a form-fit and/or force-fit connection between the joining partners. The advantages and properties of such a connection have already been explained and described in detail in relation to the method according to the invention, so that full reference will be made here to that explanation.
Ebenfalls betrifft die Erfindung Fügepartner, verbunden mittels einer Verbindung von miteinander gefügten randseitigen Oberflächenstrukturen gemäß Anspruch 14.The invention also relates to joining partners connected by means of a connection of joined edge-side surface structures according to claim 14.
Es zeigen:
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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 gemäß1 , -
3a ,3b - Darstellung von Möglichkeiten zur Auftrennung der kraftschlüssigen Verbindung gemäß1 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 gemäß4 .
-
1 - a schematic representation of the basic process of the inventive method in the form of a stage plan from the deformation of the edge region of the first joining partner to the forming-technical production of the force-fit connection with the second joining partner, -
2 - an alternative design of a force-fit connection according to1 , -
3a ,3b - Presentation of possibilities for separating the force-fit connection according to1 for example, to prepare for single-stream recycling, -
4 - a schematic representation of the basic process of the inventive method in the form of a stage plan from the deformation of the edge area of the first joining partner to the forming-technical production of the positive-locking connection with the second joining partner, -
5 - an alternative design of a multi-way positive locking connection according to4 .
In der
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
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.The reduction in sheet thickness introduced during the first process step of edge preparation in area 7, which, even after the joining step, appears to have a negative impact on the load-bearing capacity of the joint 1, especially under longitudinal loads, due to smaller stress-carrying cross-sections compared to the original material of the joining partners 2, 3, is compensated for by the work hardening caused by the bulk forming operations of the two process steps. This increase in strength results in a joint 1 with equivalent strength, and at least 70% to even over 100% of the original load-bearing capacity of the joining partners 2, 3 can be achieved. It is also conceivable to selectively influence the work hardening by heating the sheet in area 7.
In der
In der
In der
Nach dem Fügen nach Art der Verbindung gemäß
In den
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.The joining partners 2 and 3 exhibit a positive fit due to the design of the undercut 19. The elasticity of the sheet metal material and springback effects that occur during the joining process result in a superimposed force-fit connection. Preparation requires forming operations that create an undercut 19 and thus enable the positive fit, as described below. This can be achieved through a multi-stage or curved movement of the forming tools 4, 5, and 13.
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.Reinforced undercuts with improved interlocking are also conceivable. Connection 1 also requires the aforementioned two-stage procedure; however, the second joining step necessitates more complex forming operations that lead to material displacements within the joining zone, creating multiple undercuts 19 and thus producing a higher-quality and stronger connection 1.
Zur Herstellung eines für eine formschlüssige Verbindung 1 auch in Kraftrichtung der Kraft 6 wird in der
In der Ausführung der Fügepartner 2, 3 gemäß
SachnummernlistePart number list
- 11
- VerbindungConnection
- 22
- FügepartnerJoining partner
- 33
- FügepartnerJoining partner
- 44
- StempelRubber stamp
- 55
- GegenhalterCounterweight
- 66
- VerformungsrichtungDeformation direction
- 77
- Bereich geringer DickeLow thickness area
- 88
- Oberflächenstruktur VorsprungSurface structure protrusion
- 99
- Oberflächenstruktur EinsenkungSurface structure depression
- 1010
- Abschrägungbevel
- 1111
- schräger Abschnitt Stempelslanted section stamp
- 1212
- Vertiefungin-depth
- 1313
- Walzeroller
- 1414
- Vorsprungprojection
- 1515
- nutartige Vertiefunggroove-like depression
- 1616
- KlemmeinrichtungClamping device
- 1717
- Schwenkrichtungdirection of rotation
- 1818
- SchrägeSlant
- 1919
- HinterschnittUndercut
- 2020
- Vertiefung HinterschnittRecessed undercut
- 2121
- Abflachungsbereichflattening area
- 2222
- TrennstempelSeparating stamp
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- JP 04 182 007 A [0008]JP 04 182 007 A [0008]
- US 3131471 [0010]US 3131471 [0010]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- https://www.ibf.rwth-aachen.de/cms/ IBF/Forschung/ Querschnittsthemen/-peqi/Werkstoffe-verbinden/ [0009]https://www.ibf.rwth-aachen.de/cms/ IBF/Research/Cross-cutting topics/-peqi/Materials-connect/ [0009]
Claims (22)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102024001617.1A DE102024001617A1 (en) | 2024-05-17 | 2024-05-17 | Method for producing a connection between joining partners, in particular sheets, made of preferably different materials and corresponding connection |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102024001617.1A DE102024001617A1 (en) | 2024-05-17 | 2024-05-17 | Method for producing a connection between joining partners, in particular sheets, made of preferably different materials and corresponding connection |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102024001617A1 true DE102024001617A1 (en) | 2025-11-20 |
Family
ID=97523229
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102024001617.1A Pending DE102024001617A1 (en) | 2024-05-17 | 2024-05-17 | Method for producing a connection between joining partners, in particular sheets, made of preferably different materials and corresponding connection |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102024001617A1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3131471A (en) * | 1961-07-06 | 1964-05-05 | Borg Warner | Method of material joining |
| JPH04182007A (en) * | 1990-11-15 | 1992-06-29 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Seat bar joining method |
| JP2015013306A (en) * | 2013-07-05 | 2015-01-22 | 株式会社河合楽器製作所 | Manufacturing method of joining plate material |
-
2024
- 2024-05-17 DE DE102024001617.1A patent/DE102024001617A1/en active Pending
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