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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Hohlbauteils. Die Erfindung betrifft außerdem ein nach diesem Verfahren hergestelltes metallisches Hohlbauteil sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen metallischen Hohlbauteils.
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Aus der
DE 10 2019 201 085 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung für ein Bauteil mit integrierten Kanälen für eine interne Fluidführung bekannt, umfassend einen ersten Bereich, der mit einem zweiten Bereich verbunden ist und wobei die Kanäle sowohl durch den ersten als auch durch den zweiten Bereich verlaufen. Der erste Bereich wird dabei gegossen und mit verlorenen Modellen hinterschneidungsfrei hergestellt, wobei ausgehend von dem ersten Bereich der zweite Bereich unter Verwendung eines generativen Fertigungsverfahrens aufgebaut wird. Hierdurch soll eine vorteilhafte Kombination beider Fertigungsverfahren erreicht werden.
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Aus der
DE 101 30 408 A1 ist ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Auslasskanal bekannt, der durch einen in den Zylinderkopf eingegossenen, mindestens zweilagigen, mit einer wärmeisolierenden Schicht versehenen und einen Blechkanal aufweisenden Portliner gebildet ist, wobei der Blechkanal von einem schraubenförmig gewickelten Blechstreifen umgeben ist.
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Aus der
WO 2004 / 048 765 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines gegossenen Zylinderkurbelgehäuses bekannt, welches mindestens einen Führungskanal aufweist, der ein fluides Medium zu einer Bedarfsstelle weiterleitet. Für die Bildung des mindestens einen Führungskanals wird ein Rohr mit einem gewünschten Verlauf in eine zum Gießen benötigte Gussform eingebaut oder in einen Gießkern eingebracht oder in ein verlorenes Modell bzw. in dessen Formmedium-Hohlraumfüllung eingearbeitet, wonach anschließend das Zylinderkurbelgehäuse mit den jeweils einzusetzenden Gießverfahren gegossen wird. Hierdurch soll ein weniger aufwändiges Herstellungsverfahren erreicht werden können.
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Aus der
DE 103 35 911 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Druckgussteilen bekannt, wobei mindestens ein hohles Einlegeteil in einer mit Gussmaterial zu befüllenden Druckgussform angeordnet wird. Zur Abstützung gegen ein Kollabieren dieses Einlegeteils wird während der Befüllung der Druckgussform mit dem Gussmaterial ein den Hohlraum des Einlegeteils zumindest teilweise ausfüllendes Medium vorgesehen, welches rieselfähig und/oder auflösbar und/oder fließfähig ist.
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Aus der
EP 3 771 506 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Hohlraum bekannt, welches zumindest die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Profils mit Rippen, Anordnen des Profils in einem Kerngusswerkzeug, sodass sich die Rippen in einem Zwischenraum zwischen dem Profil und im Kerngusswerkzeug erstrecken, Herstellen eines Kerns, Entnehmen des Profils mit dem darin angeordneten Kern, Anordnung des Profils in einem Gusswerkzeug, Gießen eines Gussmaterials, wobei der Mantel Kontakt zu dem Kern und zumindest abschnittsweise Kontakt zu zumindest einem Teil der Rippen hat, sowie abschließendes Entfernen des Kerns. Hierdurch soll es möglich sein, kostengünstig auch komplexere Hohlstrukturen herstellen zu können.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren ist jedoch, dass die Herstellung verzweigter und/oder hinterschnittartiger Kanäle in einem gegossenen Hohlbauteil nicht nur schwierig, sondern auch teuer ist.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Hohlbauteils eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der insbesondere die beschriebenen Nachteile überwunden werden.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, erstmals bei einem Verfahren zur Herstellung eines metallischen Hohlbauteils sowohl einen Kern, das heißt einen Gießkern, als auch das diesen Gießkern nach dem Gießen umgebende Hohlbauteil als Formwerkzeug zur Herstellung eines später darin verlaufenden Kanals zu nutzen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines metallischen Hohlbauteils wird zunächst eine Gussform mit einem darin angeordneten, mehrteiligen Kern, das heißt Gießkern, bereitgestellt, wovon von dem mehrteiligen Kern zumindest ein Kernteil entnehmbar ist. Der Kern bzw. der Gießkern dient dabei zur Herstellung interner Kanalstrukturen bzw. generell Hohlraumstrukturen und ist üblicherweise als Salzkern oder als Sandkern ausgebildet. Anschließend wird das metallische Hohlbauteil gegossen und nach dem Erstarren des Gusses zumindest ein Kernteil entnommen, wodurch sich ein Hohlraum ergibt. In diesen Hohlraum bzw. in den durch den entnommenen Kernteil freigewordenen Hohlraum wird anschließend entsprechend einer ersten Alternative ein Kanalelement eingelegt. Dieses Kanalelement wird wiederum anschließend durch Innenhochdruckumformen derart aufgeweitet, dass es sich zumindest teilweise an eine Innenmantelfläche des durch den entnommenen Kernteil freigegebenen Hohlraums angelegt. Anschließend wird der restliche Kern entnommen, beispielsweise durch Auflösen oder Spülen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, den nach dem Gießen des metallischen Hohlbauteils noch innerhalb desselben vorhandenen Gießkern bzw. generell Kern zumindest teilweise als Form für ein Innenhochdruckumformen des Kanalelements zu nutzen. Da der entnommene Kernteil nicht nur innerhalb des Kerns verlaufen kann, sondern auch direkt mit dem Gussmaterial des gegossenen metallischen Hohlbauteils in Kontakt kommt, kann somit das später durch Innenhochdruckumformen hergestellte Kanalelement sowohl das metallische Hohlbauteil als auch den Kern als Negativform verwenden. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von dem Material des metallischen Hohlbauteils und zugleich unabhängig von dem Material des Kanalelements durchgeführt werden, sodass das Kanalelement beispielsweise aus Kunststoff oder ebenfalls aus Metall ausgebildet sein kann. Dadurch lassen sich insbesondere bislang nicht oder nur sehr schwierig zu fertigende Hybridbauteile, die sich besonders vorteilhaft auf ein Gewicht des herzustellenden metallischen Hohlbauteils auswirken, kostengünstig und qualitativ höchstwertig herstellen. Alternativ zum Einlegen des Kanalelements und einem Innenhochdruckumformen desselben ist entsprechend einer zweiten Alternative auch denkbar, dass ein Kanalelement in einem durch den entnommenen Kernteil entstandenen Hohlraum eingebracht bzw. hergestellt wird, insbesondere durch Schleuderguss. Beim Schleudergießen wird flüssiges Metall oder flüssiger Kunststoff in den rotierenden Kern gefüllt. Auch kann natürlich eine Schleudergusslanze rotieren. Dabei sei angemerkt, dass die beiden beschriebenen Alternativen keine abschließende Aufzählung darstellen, sodass auch noch weitere Alternativen denkbar sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend der ersten Alternative wird als Kanalelement ein Schlauchelement aus Kunststoff verwendet. Ein derartiges Schlauchelement bietet den großen Vorteil, dass es aufgrund seiner Elastizität und Verformbarkeit vergleichsweise einfach in den durch den entnommenen Kernteil entstandenen Hohlraum eingeführt und dort positioniert werden kann. Zugleich bietet ein derartiges Schlauchelement aus Kunststoff den Vorteil, dass zum Innenhochdruckumformen deutlich weniger Druck erforderlich ist, als beispielsweise für ein metallisches Kanalelement. Der wesentliche Vorteil eines derartigen als Schlauchelement aus Kunststoff ausgebildeten Kanalelements liegt jedoch in der Möglichkeit, dass sich dieses beim Einschieben in den durch den entnommenen Kernteil freigegebenen Hohlraum verformen und dadurch auch kurvige Strecken innerhalb des Kerns bzw. des metallischen Hohlbauteils überwinden kann. Das als Schlauchelement aus Kunststoff ausgebildete Kanalelement kann beispielsweise durch einen Wärmeeintrag bzw. ein Erhitzen anschließend ausgehärtet werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend der ersten Alternative wird das Kanalelement nach dem Innenhochdruckumformen abgetrennt. Zum Innenhochdruckumformen ist es erforderlich, dass das Kanalelement einen geschlossenen Hohlraum bildet, der mit entsprechendem Druck, beispielsweise mittels Pressluft oder einem Hydraulikfluid, beaufschlagbar ist. Da das Kanalelement nach der Herstellung jedoch durchlässig sein soll, wird dieses an entsprechenden Stellen abgetrennt, wobei an diesen Stellen beispielsweise anschließend noch ein Adapterelement zum Anschluss an weitere Leitungen bzw. Bauteile angebracht werden kann.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend der ersten Alternative wird das Kanalelement durch Pressluft oder Flüssigkeit, insbesondere Hydraulikflüssigkeit, innenhochdruckumgeformt. Das Innenhochdruckumformen mittels Pressluft bietet den großen Vorteil, dass hierdurch eine hinsichtlich ökologischer Aspekte bzw. Arbeitssicherheitsaspekte einfache Handhabung möglich ist, wobei ein Innenhochdruckumformen mittels Pressluft beispielsweise bei Kanalelementen aus Kunststoff zum Einsatz kommt, die einen geringeren Druck zum Innenhochdruckumformen erfordern. Mittels Hydraulikflüssigkeit wiederum ist es möglich, deutlich höhere Drücke aufzubringen, wodurch auch Kanalelemente aus Metall problemlos umformbar sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend der ersten Alternative wird das Kanalelement beim Innenhochdruckumformen erwärmt bzw. erhitzt. Ein Erhitzen des Kanalelements während des Innenhochdruckumformens erleichtert ein Anlegen desselben an eine Innenmantelfläche des durch den entnommenen Kernteil freigegebenen Hohlraums, wodurch eine verbesserte Formtreue im Hinblick auf die auszufüllende Form des Hohlraums erreicht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein metallisches Hohlbauteil anzugeben, das entsprechend dem in den vorherigen Absätzen beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Hierdurch können beispielsweise Kurbelgehäuse als Hybridbauteile hergestellt werden, insbesondere sofern beispielsweise für das Kanalelement ein anderes Metall als für das Kurbelgehäuse oder Kunststoff verwendet wird. Ein nach diesem Verfahren hergestelltes metallisches Hohlbauteil bietet darüber hinaus den großen Vorteil, dass der zum Herstellen weiterer Kanäle, beispielsweise Kühlmittelkanäle, eingesetzte Gießkern zumindest teilweise auch als Form für das Innenhochdruckumformen der Kanalelemente genutzt werden kann. Wird das Kanalelement beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet, so kann eine Hybridbauweise erreicht werden, die im Vergleich zu herkömmlichen, rein metallischen Hohlbauteilen bzw. Kanalelementen eine deutliche Gewichtsersparnis mit sich bringt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des metallischen Hohlbauteils ist zwischen dem entnehmbaren Kernteil und dem restlichen Kern eine Trennschicht angeordnet. Eine derartige Trennschicht kann beispielsweise eine Gleitschicht bilden, die ein erleichtertes Entnehmen des entnehmbaren Kernteils nach dem Gießen des metallischen Hohlbauteils ermöglicht.
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Denkbar ist selbstverständlich auch, dass der entnehmbare Kernteil und der restliche Kern aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind, beispielsweise auf Basis unterschiedlicher Bindersysteme, sodass der entnehmbare Kernteil z.B. wasserlöslich sein kann, insbesondere als organischer und anorganischer Sandkern. Alternativ ist auch der Einsatz unterschiedlicher Kernmaterialien denkbar, beispielsweise ein Salzkern (wasserlöslich) und ein Sandkern (thermisch, mechanisch entfernbar).
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des metallischen Hohlbauteils ist der entnehmbare Kernteil einstückig ausgebildet oder weist zumindest zwei Teile auf. Bei einer einstückigen Ausbildung des entnehmbaren Kernteils kann ein vereinfachtes Handling gewährleistet werden, während bei einem mehrteiligen Kernteil deutlich komplexere Strukturen, insbesondere auch Hinterschnittstrukturen, realisierbar sind.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise einen Personenkraftwagen, mit einer Karosserie und mit mindestens einem metallischen Hohlbauteil entsprechend den vorherigen Absätzen auszustatten, welches an der Karosserie angebracht ist. Ein derartiges Kraftfahrzeug bietet somit den Vorteil, dass insbesondere bei einem als Schlauchelement aus Kunststoff ausgebildeten Kanalelement eine gewichtsreduzierende Hybridbauweise erreicht werden kann, die nicht nur eine kostengünstige Herstellung erlaubt, sondern bei dem Kraftfahrzeug auch für eine Reichweitensteigerung sorgt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den durch die Ansprüche definierten Rahmen der Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine Gussform mit einem darin angeordneten mehrteiligen Kern und einem bereits gegossenen metallischen Hohlbauteil,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei entnommenem Kernteil,
- 3 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit einem in einen durch den entnommenen Kernteil entstandenen Hohlraum eingelegten Kanalelement,
- 4 eine Darstellung wie in 3, jedoch bei bereits innenhochdruckumgeformtem Kanalelement,
- 5 eine Darstellung wie in 4, jedoch bei entnommenem Kern und abgetrenntem Kanalelement.
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Entsprechend der 1 wird zum Herstellen eines metallischen Hohlbauteils 1 zunächst eine Gussform 2 mit einem darin angeordneten, mehrteiligen Kern 3 bereitgestellt. Der Kern 3 kann dabei beispielsweise als Salzkern oder als Sandkern ausgebildet sein und hinterlässt nach der Herstellung des metallischen Hohlbauteils 1 entsprechende Hohlräume, die beispielsweise als Kanäle für Fluide oder als Leerräume zur Gewichtsersparnis und Ressourcenschonung genutzt werden können.
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Der Kern 3 besitzt dabei zumindest einen entnehmbaren Kernteil 4, wobei dieser Kernteil 4 beispielsweise einstückig oder aus mehreren Teilen ausgebildet sein kann, insbesondere sofern beispielsweise komplexe Hohlraumstrukturen herstellbar sein sollen.
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Entsprechend der 2 wurde das gegossene metallische Hohlbauteil 1 aus der Gussform 2 entnommen und der zumindest eine Kernteil 4 sowohl aus dem metallischen Hohlbauteil 1 als auch aus dem Kern 3 entfernt. Hierdurch entsteht ein Hohlraum 5, der sich abschnittsweise sowohl durch das metallische Hohlbauteil 1 als auch durch den Kern 3 erstreckt.
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Betrachtet man nun die 3, so kann man erkennen, dass in den Hohlraum 5 entsprechend einer ersten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Kanalelement 6 eingelegt wird, was anschließend entsprechend der 4 durch Innenhochdruckumformen umgeformt, insbesondere durch ein Blasverfahren aufgeblasen, wird. Hierdurch legt sich das Kanalelement 6 an eine Innenmantelfläche des Hohlraums 5 an, der sich - wie gesagt - sowohl durch den Kern 3 als auch durch das metallische Hohlbauteil 1 erstrecken kann.
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Alternativ zum Einlegen des Kanalelements 6 und einem Innenhochdruckumformen desselben ist entsprechend einer zweiten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens auch denkbar, dass ein Kanalelement 6 in einem durch den entnommenen Kernteil 4 entstandenen Hohlraum 5 eingebracht bzw. hergestellt wird, insbesondere durch Schleuderguss.
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In 5 wird nun der noch verbliebene restliche Kern 3 aus dem metallischen Hohlbauteil 1 entnommen, beispielsweise ausgespült, woraufhin das Verfahren abgeschlossen ist.
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Als Kanalelement 6 kann bei der ersten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise ein Schlauchelement aus Kunststoff eingesetzt werden, welche sich durch ein pneumatisches Innenhochdruckumformen, das heißt ein Aufblasen, exakt an die Innenmantelfläche des Hohlraums 5 anlegt. Hierdurch ist insbesondere ein Hybridbauteil erzeugbar, mit einem metallischen Hohlbauteil 1 und einem Kanalelement 6 aus Kunststoff. Ein derartiges Hybridbauteil zeichnet sich insbesondere durch ein deutlich reduziertes Gewicht aus. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass das Kanalelement 6 aus Metall ausgebildet ist, sodass in diesem Fall das Innenhochdruckumformen ebenfalls pneumatisch, d. h., durch ein Blasverfahren, oder durch eine Hydraulikflüssigkeit erfolgen kann. Um dabei das Innenhochdruckumformen zu erleichtern und insbesondere auch lediglich geringere Drücke einsetzen zu müssen, kann das Kanalelement 6 beim Innenhochdruckumformen erwärmt bzw. erhitzt werden. Hierdurch kann einerseits das Innenhochdruckumformen erleichtert und damit die Belastungen für den Kern 3 bzw. das metallische Hohlbauteil 1 während des Innenhochdruckumformen reduziert werden, und andererseits kann eine Aussteifung des Kanalelements 6 durch ein Abkühlen nach dem Innenhochdruckumformen erreicht werden.
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Das gemäß der 5 dargestellte Entfernen des Kerns 3 kann beispielsweise durch ein Auflösen bzw. Auswaschen desselben erfolgen. Ebenfalls nach dem in 4 dargestellten Verfahrensschritt kann das Kanalelement 6 noch abgetrennt werden, das heißt es können Öffnungen 7, die während des Innenhochdruckumformen noch verschlossen sind, geöffnet werden.
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Zwischen dem Kern 3 und dem zumindest einen entnehmbaren Kernteil 4 kann eine Trennschicht 8 angeordnet sein, die insbesondere ein Entnehmen des Kernteils 4 nach dem Gießen des metallischen Hohlbauteils 1 erleichtert, da es eine Art Gleitschicht bildet.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, ein metallisches Hohlbauteil 1 mit nahezu beliebigem innenliegenden Kanal mittels eines Kanalelements 6 herzustellen, wobei das Kanalelement 6 zudem aus einem anderen Werkstoff ausgebildet sein kann, als das metallische Hohlbauteil 1, wodurch ein gewichtsoptimiertes hybrides Bauteil herstellbar ist.
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Eingesetzt werden kann ein derartiges erfindungsgemäßes metallisches Hohlbauteil 1, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug 9, insbesondere an einer Karosserie 10 desselben.