DE102012107842A1

DE102012107842A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines eine 3D-Strukturierung aufweisenden Bauteils mit einem Randbereich

Info

Publication number: DE102012107842A1
Application number: DE102012107842A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ebert
Original assignee: Westfalia Presstechnik & Co KG GmbH
Current assignee: Westfalia Presstechnik & Co KG GmbH
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2012-08-25
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2032-08-26
Also published as: DE102012107842B4; DE202011051111U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines eine 3D-Strukturierung aufweisenden Bauteils mit einem Randbereich aus einem Halbzeug (12) in Form eines im Wesentlichen ebenen oder zumindest bereichsweise vorgeformten Bleches, unter Verwendung eines ersten Werkzeugelementes (1) mit einer Gravur (2) zur Ausbildung einer 3D-Strukturierung in dem Bauteil(Halbzeug (12), wobei sich an die Gravur (2) des ersten Werkzeugelementes (1) eine dem Randbereich des herzustellenden Bauteils im Wesentlichen entsprechende Randfläche (5) anschließt und dem ersten Werkzeugelement (1) gegenüberliegend ein zweites Werkzeugelement (2) angeordnet ist, mit dem durch einen Energieeintrag das Material des Halbzeuges (12) in die Gravur des ersten Werkzeugelementes (1) einformbar ist und sich an das zweite Werkzeugelement umfangsseitig zumindest bereichsweise ein drittes Werkzeugelement anschließt und das dritte Werkzeugelement relativ zum ersten und zum zweiten Werkzeugelement bewegbar ist und vor und/oder während der Betätigung des zweiten Werkzeugelementes das Halbzeug (12) in dessen Randbereich gegen die Randfläche (5) des ersten Werkzeugelementes mit einer sich ändernden oder gleichbleibenden Kraft fixiert/presst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines eine 3D-Strukturierung, insbesondere eine Wölbstrukturierung, aufweisenden Bauteils mit einem Randbereich, der keine Strukturierung aufweist und im Wesentlichen gerade bzw. eben ausgebildet ist.
Es sind zahlreiche Lösungen bekannt, bei welchen so genannte Wölbstrukturen, zum Beispiel im Fahrzeugbereich eingesetzt werden. Diese werden bisher meist als energieabsorbierende Elemente im Bereich der Karosserie bzw. der Bodengruppe verwendet. Eine Motorhaube, deren Innenschale mit einer Wölbstruktur als Versteifungsbereich versehen ist, wird in DE10259591A1 beschrieben. Der Versteifungsbereich der Innenschale der Motorhaube wird durch ein näherungsweise ebenes wölbstrukturiertes Einsatzteil gebildet, das separat aus einem wölbstrukturierten Halbzeug gefertigt wird und im Zuge des Rohbaus in eine Aussparung in der (beispielsweise durch Tiefziehen gefertigten) Innenschale eingesetzt und mit dieser fest verbunden wird. Dabei sind nur geringe Glättungen bzw. Umformungen der Wölbstruktur vorhanden. Um prozesssicher eine hochfeste Verbindung sicherzustellen, wird die Wölbstruktur im Randbereich des Einsatzteils geglättet. Auf diese Weise wird auf dem Einsatzteil ein randseitiger geglätteter Flansch erzeugt, der in Zusammenbaulage des Einsatzteils mit der Innenschale auf einem entsprechend geformten Flansch der Innenschale zu liegen kommt und mit diesem durch ein Fügeverfahren – vorzugsweise durch Kleben – verbunden wird. Das Glätten der Randbereiche des Einsatzteils erfolgt mit Hilfe eines Prägeverfahrens.
Eine Formschale mit hoher Biegesteifigkeit als Teil der Karosserie ist aus DE10321032B4 bekannt. Diese weist einen im Wesentlichen geraden Randabschnitt auf und das Biegefeld ist zur Erhöhung seiner Biegesteifigkeit mit mehreren eingeformten Versteifungsmulden versehen, die insgesamt ein unregelmäßiges Muster bilden. Die Formschale soll durch Tiefziehen hergestellt werden. Ein Verfahren zu makrostrukturierten Materialbahnen mit feinstrukturierten oder glatten Teilflächen wird in DE 10 2005 025 620 A1 und ein Verfahren zum Herstellen einer grobstrukturierten Materialbahn mit feinstrukturierten Teilflächen und durchgängigen, ebenen oder nahezu ebenen Rändern wird in DE 10 2008 056 521 B3 beschrieben. Dabei wird jeweils eine Materialbahn im Durchlaufverfahren mittels Walzen mit einer Makrostruktur, insbesondere Beulstruktur aus Falten und Mulden, versehen. Die Ränder der Materialbahn enthalten gem. DE 10 2005 025 620 A1 eine Feinstrukturierung aus Wellen, auslaufenden Falten, kleineren Übergangsstrukturen und/oder eine Sicke und/oder eine glatte Gestalt und die Längeneinkürzung der Feinstrukturierung wird auf die Makrostrukturierung der Materialbahn angepasst. Dabei kann eine Sicke zwischen der makrostrukturierten, insbesondere beulstrukturierten Materialbahn und ihrer feinstrukturierten Teilfläche angeordnet sein. Ein glatter Rand quer zur Laufrichtung der Materialbahn wird dadurch erreicht, dass die Druckbeaufschlagung in vorgegebenen Längenabschnitten der Materialbahn unterbrochen wird. Das erreicht man entweder durch eine angepasste Aussparung des Elastomers auf der Druckwalze und/oder durch eine angepasste, schrittweise Zustellung der Stützelementwalze. Im zweiten Arbeitsschritt werden die Feinstrukturen mit Hilfe von Formwerkzeugen durch Rollformen am Rand der Materialbahn erzeugt. Dabei kann auch gleichzeitig die Längssicke erzeugt werden. Die Druckwalze besitzt in ihrer Mitte ein Elastomer für die Druckbeaufschlagung (für das Beulstrukturieren) und an ihren beiden Enden die eingearbeiteten Formkonturen für die Erzeugung der Feinstrukturen. Diese Formkonturen können aus starren oder elastischen Werkstoffen bestehen. Bei DE 10 2008 056 521 B3 werden die Ränder in grobstrukturierten, insbesondere beul- bzw. wölbstrukturierten Materialbahnen oder Blechteilen dadurch erzeugt, dass zum Rand "abgeschlossene" (d. h. nicht frei auslaufende), wellenförmige Feinstrukturen senkrecht zum Rand der Materialbahn oder des Blechteils eingebracht werden. Es können aber auch schräg zum Rand angeordnete Feinstrukturen zur Anwendung kommen.
Auch in der Druckschrift DE 10 2006 055 657 A1 wird beschrieben, dass ein Bauteil (hier aus Flachmaterial) mit einer Wölbstrukturierung durch Druckaufbringung über elastomere Wirkmedien herstellbar ist. Dabei besteht die hergestellte Verformungsstruktur (Wölbstruktur) aus Zellen, die ausgehend von der Mittelfläche des Bleches in eine Richtung gewölbt sind und sich dazwischen erstreckenden Zellbiegerändern, die in die Gegenrichtung gewölbt sind. Für zahlreiche Anwendungsfälle ist es jedoch gewünscht, die Wölbung nur in eine Richtung auszuführen, um beispielsweise eine definierte Anlagefläche zu gewährleisten. Weiterhin ist nachteilig, dass das elastomere Wirkmedium in einem umfangsseitig und von oben geschlossenen Werkzeugträger angeordnet ist.
Auch in der Druckschrift DE 10 2011 109 123 B3 wird ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Schale oder Platte und deren Verwendung beschrieben. Ein erheblicher Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass mehrere Prozessschritte durchgeführt werden müssen. In einem ersten Prozessschritt wird aus einer ebenen Materialbahn eine glatte Schale hergestellt. Im zweiten Prozessschritt drückt ein Druckelement gegen die konvexe Seite der glatten Schale und dann gegen polygonförmig angeordnete Stützelemente, deren lichte konvexe Kontur der konkaven Seite der Schale so angepasst wird, dass die Krümmung der glatten Schale etwas größer oder etwas kleiner ist als die Krümmung der lichten Kontur der Stützelemente, wodurch zunächst ein Bereich der Schale die Stützelemente berührt und somit ein schmaler freier Raum zwischen der Schale und den Stützelementen gebildet wird, dann durch Beaufschlagung des Druckelementes Druckmembranspannungen gebildet werden und die konvex gekrümmte Schalenform in konkav gekrümmte Schalenbereiche umgebildet werden, wobei die konkav gekrümmten Schalenbereiche gegen das Stützelementwerkzeug bewegt werden, sich anlegen und dort Druckmembranspannungen gebildet werden und durch weiter erhöhte Beaufschlagung des Druckelementes die polygonen Strukturen in der Schale tiefer ausgebildet werden. Es wird sozusagen eine Art Stülpziehen realisiert, durch welche in eine Richtung vorgeformte Materialbereiche in die Gegenrichtung umgeformt werden.
Dabei sollen die Wanddicken der Materialbahn im Bereich der entstehenden Falten und Wülste erhalten bleiben und keine Zugspannungen und Ausdünnungen in der Wand auftreten. Gerade im Zuge der Gewichtseinsparung ist es jedoch häufig gewünscht, dass sich bei dem Umformvorgang die Wanddicke verringert und dadurch das Material verfestigt wird. Nachteilig ist auch, dass aufgrund der nicht wirkenden Zugspannungen lediglich kleine Umformgrade realisierbar sind, wodurch wiederum nur kleine Geometrien hergestellt werden können.
Dabei ist ein elastomeres Wirkmedium wie in der vorgenannten Druckschrift von einem Druckkasten umgeben. Auch hier ist der Druckkasten umfangsseitig und oben geschlossen. Zum Herstellen einer strukturierten Schale, als konvex gekrümmter Boden einer tiefgezogenen Wanne, wird zunächst ein elastomeres Wirkmedium, das von dem Druckkasten umgeben wird, etwas gegen die glatte Schale bewegt, so dass sich zuerst der mittlere Bereich der glatten Schale an die Stützelemente anlegen kann. Nun bewirkt eine über den Druckkasten auf das elastische Wirkmedium wirkende Druckkraft, dass die konvex gekrümmte glatte Schale vorzugsweise in ihrem mittleren Bereich zu einer schwach eingebeulten Schale umgebildet wird und sich dabei an die Stützelemente des Werkzeuges anlegt. Um einen Beulvorgang zu unterstützen, wird die konvex gekrümmten Schale an ihrem Rand fixiert. Das geschieht durch Formschluss zwischen der Zarge und dem Druckkasten sowie zwischen dem Flansch und der starren Aufnahme. Für das Bilden weiterer Strukturen wird der Wirkdruck weiter erhöht, wodurch die konvex gekrümmte, glatte Schale in ihrem seitlichen Bereich teilweise eingebeult wird wodurch sie sich vorzugsweise örtlich an die Stützelemente anlegt, und ferner wird die Schale in ihrer Mitte durch ihre Auflage an den Stützelementen bereits etwas eingeformt. Ferner können die Radbereiche der glatten Schale weiter konvex gekrümmt bleiben. Dann wird der Wirkdruck noch weiter gesteigert, damit sich die Strukturen in der vorgeformten Schale tiefer ausbilden können. Dabei soll bei dem gesamten Umformvorgang der Werkstoff der Schale von ihren Rändern in den mittleren Bereich der Schale quasi hineingeschoben werden, wodurch Druck-Membran-Kräfte in der Schale aufgebaut werden können. Mit Hilfe dieser sich angeblich aufbauenden Druck-Membran-Kräfte in der Schale soll erreicht werden, dass im Bereich der Falten bzw. Wülste im Wesentlichen Druck- und Biegespannungen aufrechterhalten werden.
Dabei ist jedoch unklar, um wie viel größer oder kleiner die Krümmung der glatten Schale in Bezug auf die Krümmung der lichten Kontur der Stützelemente, sein soll. Ist die Krümmung der glatten Schale beispielsweise größer und übergreift der umfangsseitige abgewinkelte Randbereich der Schale nicht zentrierend über einen Randbereich des Werkzeuges, kann die glatte Schale, die dann lediglich auf einem geringen Bereich aufliegt, unkontrolliert seitlich kippen bzw. abrollen, wodurch sich dann wiederum ein unkontrolliertes Umformergebnis einstellt. Auch wenn die Krümmung der Schale kleiner ist, wird ein zentrierender mehrfach gebogener Randbereich benötigt. Oftmals ist es jedoch erforderlich, einen im Wesentlichen glatten Randbereich zu erzeugen, der sich im Wesentlichen im Bereich der ursprünglichen Blechdicke des Ausgangsbleches befindet. Dies ist mit dem vorgenannten Stand der Technik nicht möglich. I
Ein weiterer entscheidender Nachteil der beiden vorgenannten Lösungen besteht darin, dass bei Anlage der Unterseite des umlaufenden Randes des Formkastens an der Auflagefläche des Werkzeuges keine weitere Umformung des Bauteils mehr möglich ist. Neben der Verwendung eines Werkzeugelementes mit einem Elastomer zur Erzeugung der Wölbstruktur ist es bekannt, diese mittels magnetischer Kräfte zu erzeugen.
Dazu zeigt die Druckschrift DE 197 11 103 B4 ein Verfahren zum Verformen von Bauelementen durch berührungsloses Einwirken magnetischer Kräfte auf. Die Oberfläche des Bauteils wird in einem ausgewählten Abschnitt sowie in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet, von den Erregern überdeckt und mit partiellen Verformungen versehen. Dies wird sooft in einem horizontalen Wechsel über der Fläche des Elementes wiederholt, bis seine Oberfläche mit einem strukturierten Verformungsmuster ausgestattet ist. Dabei kann die Strukturierung eines normalen Bleches in Form einer Materialbahn dadurch erfolgen, dass dieses über ein Auflagesegment laufend angeordnet ist. Die Oberfläche des Auflagesegmentes ist mit Auflagerollen versehen, über die die Materialbahn aufliegend gestützt abrollen kann. Über der Materialbahn in Reihe quer zum Auflagesegment angeordnet, sind die Spulen von Erregern vorgesehen. Die Erreger richten die Kraftwirkung ihres impulsartigen Magnetfeldes gegen die Oberfläche der Materialbahn. Durch die Kraft des Magnetfeldes wird im Wirkbereich eines jeden Erregers eine Reihe von konkaven Einbeulungen erreicht. Durch eine Weiterbewegung der Materialbahn unter den Erregern hindurch, ist es möglich, die Materialbahn gleichmäßig mit selbstorganisierenden Einbeulungen zu versehen. Zur Ausbildung glatter Bereiche sind Reihen von Einbeulungen voneinander beabstandet. Dieses Verfahren gestaltet sich relativ aufwendig.
In der Druckschrift DE 10 2005 013 539 B4 wird eine Vorrichtung zur Umformung einer Tafel oder eines Blechs offenbart, wobei die Vorrichtung einen Gesenkabschnitt, einen elektromagnetischen Aktuator und einen leitfähigen Rahmen umfasst. Der Gesenkabschnitt definiert eine profilierte Oberfläche, der elektromagnetische Aktuator ist gegenüber der profilierten Oberfläche des Gesenkabschnitts angeordnet. Der leitfähige Rahmen wird so gestaltet, dass er die Tafel oder das Blech in elektrischem Kontakt mit dem leitfähigen Rahmen in einer Position zwischen dem elektromagnetischen Aktuator und der profilierten Gesenkoberfläche festhält, bei Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators eine Verformung der Tafel oder des Blechs gegen die profilierte Gesenkoberfläche gestattet und einen Rückflussweg für bei Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators in der Tafel oder dem Blech induzierte Wirbelströme definiert. Um eine ausreichende Klemmung des Blechs zu bewirken, ist eine Pressvorrichtung vorgesehen, die eine Druckkraft auf das zwischen dem leitfähigen Rahmen und dem gesenkartigen Abschnitt festgehaltene Blech ausübt. Diese Vorrichtung dient zum Herstellen von Strömungsfeldplatten von Brennstoffzellen, weil sie in der Lage ist, Strömungskanäle zu bilden, deren Strömungskanaltiefe deutlich größer ist als die Dicke des Blechs. Diese Vorrichtung besitzt einen komplizierten konstruktiven Aufbau und ist zur Herstellung von wölbstrukturierten Blechen nicht geeignet. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektromagnetischen Umformen von Werkstücken, bei dem eine das Werkstück verformende Umformkraft ausschließlich auf eine Hauptumformzone des Werkstückes aufgebracht wird, ist aus DE 10 2007 053 361 A1 bekannt. Es ist vorgesehen, dass die Umformkraft durch wenigstens eine Flachspule erzeugt wird, die im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche eines Umformbereiches des in eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eingelegten unverformten Werkstückes angeordnet ist. Das Verfahren ist insbesondere dafür ausgebildet, Blechtafeln bestimmte Ausprägungen zu geben, so dass diese zum Beispiel als Karosseriebauteile Anwendung finden können. Es ist vorgesehen, dass in unterschiedlichen Umformbereichen die Umformkräfte beziehungsweise die Umformkraftfelder mit unterschiedlichen Beträgen aufgebracht werden. Das heißt, dass die Umformkräfte lokal und/oder temporär und auch hinsichtlich ihrer Größe unterschiedlich aufgebracht werden können. Dabei kann ein Umformbereich eine gesamte Hauptumformzone oder auch nur einen Teil dieser Hauptumformzone oder auch mehrere Hauptumformzonen betreffen. Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine die Negativform des herzustellenden Werkstücks aufweisende Matrize sowie mindestens einen Niederhalter und wenigstens eine im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche eines Umformbereiches des in die Vorrichtung eingelegten unverformten Werkstückes angeordnete Flachspule zum Aufbringen eines magnetischen Kraftfeldes auf das Werkstück. Die Negativform ist dabei die Ausprägung der Form des Werkstücks in der Matrize als Negativ, wie es zum Beispiel als Kavität im Gussverfahren oder in anderen herkömmlichen Magnetumformungsverfahren bekannt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines 3D-strukturierten Bauteils mit einem Randbereich, der keine Strukturierung aufweist, zu entwickeln, mit welchen eine geringe Anzahl von Prozessschritten erforderlich sind, eine große Formenvielfalt an Bauteilen realisierbar ist und wobei die Vorrichtung einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten und sechsten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Verfahrensgemäß erfolgt die Herstellung eines eine 3D-Strukturierung aufweisenden Bauteils mit einem Randbereich aus einem Halbzeug in Form eines im Wesentlichen ebenen oder zumindest bereichsweise vorgeformten Bleches

– unter Verwendung eines ersten Werkzeugelementes mit einer Gravur zur Ausbildung einer 3D-Strukturierung in dem Bauteil, wobei sich an die Gravur des ersten Werkzeugelementes eine dem Randbereich des herzustellenden Bauteils im Wesentlichen entsprechende Randfläche anschließt und
– dem ersten Werkzeugelement gegenüberliegend ein zweites Werkzeugelement angeordnet ist, mit dem durch einen Energieeintrag das Material des Bleches in die Gravur des Formstempels einformbar ist und
– sich an das zweite Werkzeugelement umfangsseitig zumindest bereichsweise ein drittes Werkzeugelement anschließt
– und das dritte Werkzeugelement relativ zum ersten und zum zweiten Werkzeugelement bewegbar ist und vor und/oder während der Betätigung des zweiten Werkzeugelementes das Bauteil/Blech in dessen Randbereich gegen die Randfläche des ersten Werkzeugelementes mit einer sich ändernden oder gleichbleibenden Kraft fixiert bzw. presst.

Dadurch ist es möglich, den Randbereich lediglich zu fixieren und dabei ein Nachfließen des Material aus dem Randbereich bei der Umformung zu realisieren oder den Randbereich zu Klemmen, so dass kein Material nachfließen kann oder erst ab einer bestimmtem Umformung das Nachfließen des Materials freigegeben wird.
Dabei wird bevorzugt zuerst durch das dritte Werkzeugelement das Bauteil gegen die Randfläche des ersten Bauteils angelegt und somit randseitig fixiert und anschließend durch den Energieeintrag des zweiten Werkzeugelementes das Material des Bauteil in die Gravur eingeformt, wobei ein Nachfließen des Bauteilwerkstoffes aus dem Randbereich gewährleistet wird oder unterbunden wird, jenachdem, wie das dritte Werkzeugelement den Randbereich des Bauteiles fixiert bzw. klemmt.
Das zweite Werkzeugelement besteht vorteilhafter Weise zumindest bereichsweise aus einem elastomeren Material, dessen Wirkfläche in Richtung zum Blech/Bauteil weist, wobei das elastomere Material zum Energieeintrag relativ zum dritten Werkzeugelement in Richtung zum ersten Werkzeugelement bewegt wird.
Zur Steuerung des Umformgrades kann das elastomere Material bedarfsweise

– in Richtung zum ersten Werkzeugelement mit bereichsweise unterschiedlichen Kräften beaufschlagt werden wobei bei geringer wirkenden Kräften geringere Unformgrade erzeugt werden und/oder
– mit bereichsweise unterschiedlichen Elastizitäten auf das Bauteil wirken, wobei höhere Umformgrade durch Bereiche mit höherer Elastizität erzeugt werden, und/oder
– bereichsweise unterschiedliche Höhen aufweisen, wobei durch unterschiedliche Höhen ebenfalls unterschiedliche Umformgrade erzielbar sind (eine größere Höhe realisiert einen größeren Umformgrad) und/oder
– an seiner in Richtung zum ersten Werkzeugelement weisenden Wirkfläche mit einer Strukturierung versehen ist, wobei durch die Strukturierung ebenfalls beeinflusst werden kann, wieweit das Material des Bauteils in die Gravur des ersten Werkzeugelementes eingeformt wird.

Alternativ ist es möglich, dass das zweite Werkzeugelement in Form wenigstens eines ersten elektromagnetischen Aktuators ausgebildet ist, der den Energieeintrag zur Umformung des Bauteils erzeugt und dass bedarfsweise durch den ersten elektromagnetischen Aktuator und/oder einen weiteren elektromagnetischen Aktuators das Blech/Bauteil zur Erhöhung des Umformvermögens vor und/oder während der Umformung erwärmt wird. Dadurch können auch schwer umformbare Werkstoffe mit einer 3D-Strukturierung versehen werden.
Der Randbereich des ersten Werkzeugelement und der Randbereich des dritten Werkzeugelementes können weiterhin Formelemente aufweisen, durch welche der Randbereich des Bleches/Bauteils, zumindest bereichsweise mit Formelementen versehen werden und/oder auch zumindest bereichsweise getrennt werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmalig möglich, ebene oder dreidimensional geformte Bauteile, die zumindest bereichsweise mit einer 3D_Strukturierung versehen sind, effektiv und in hoher Qualität herzustellen, wodurch es einfach möglich ist die Geometrie der Strukturierung im Bauteil durch Veränderung es Energieeintrages zu verändern und durch die randseitige Fixierung bzw. Spannung des Bauteils das Nachfließen des Werkstoffs zu steuern und trotz einer randseitigen Fixierung bzw. Klemmung die Umformkraft weiter zu erhöhen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines eine 3D-Strukturierung aufweisenden Bauteils mit einem Randbereich aus einem Halbzeug in Form eines im Wesentlichen ebenen oder zumindest bereichsweise dreidimensional vorgeformten Blechs weist zumindest ein ersten Werkzeugelement mit einer Gravur zur Ausbildung einer 3D-Strukturierung in dem Bauteil auf, wobei sich an die Gravur des ersten Werkzeugelementes eine dem Randbereich des herzustellenden Bauteils im Wesentlichen entsprechende Randfläche anschließt und dem ersten Werkzeugelement gegenüberliegend ein zweites Werkzeugelement angeordnet ist, mit dem durch einen Energieeintrag das Material des Bleches in die Gravur des Formstempels einformbar ist und sich an das zweite Werkzeugelement umfangsseitig zumindest bereichsweise ein drittes Werkzeugelement anschließt und das dritte Werkzeugelement relativ zum ersten und zum zweiten Werkzeugelement bewegbar ist und dadurch das Bauteil/Blech mit seinem Randbereich gegen die Randfläche des ersten Bauteils mit einer Haltekraft fixierbar/pressbar ist.
Der Randbereich weist dabei bevorzugt keine Strukturierung auf und ist im Wesentlichen gerade bzw. eben ausgebildet. Der Rand kann nach der Umformung in etwa in der Ebene der ursprünglichen Erstreckung des Bleches liegen oder auch abgekantet sein. Das erste Werkzeugelement ist insbesondere in der Art eines Formstempels ausgebildet, der mit einer Gravur versehen ist, die zur Ausbildung einer 3D-Strukturierung in einem Bereich eines Halbzeuges in Form eines Bleches dient, welches auf den Formstempel auflegbar ist, wobei sich an die Gravur des Formstempels eine dem Randbereich des herzustellenden Bauteils im Wesentlichen entsprechende Randfläche anschließt und bedarfsweise zwischen der Gravur und der Randfläche eine umlaufende Sicke und/oder ein umlaufender Freiwinkel angeordnet ist und wobei dem ersten Werkzeugelement gegenüberliegend (auf der anderen Seite des Bleches) ein zweites Werkzeugelement angeordnet ist, mit dem durch einen Energieeintrag das Material des Bleches in die Gravur des Formstempels einformbar ist.
Durch dieses Werkzeug ist es möglich, aus einem Halbzeug in Form eines Bleches (z.B. einer Blechronde), welches auch bereichsweise vorgeformt sein kann, ein Bauteil zu fertigen, welches partiell mit einer 3D-Struktur versehen ist und einen im Wesentlichen ebenen Randbereich aufweist, der es ermöglicht, an dem Bauteil mittels herkömmlicher Verbindungsverfahren andere Bauteile zu befestigen. Die 3D-Strukturierung ist dabei bevorzugt als Wölbstrukturierung ausgebildet und gewährleistet unter anderem eine höhere Steifigkeit des Bauteils. Das dritte Werkzeugelement, welches auf der Seite des zweiten Werkzeugelementes angeordnet ist und mit welchem der Randbereich des Halbzeuges in Richtung zur Randfläche des ersten Werkzeugelementes fixierbar und ggf. mit einer Haltekraft beaufschlagbar ist, wird bevorzugt umlaufend um das zweite Werkzeugelement angeordnet.
Das Halbzeug kann ein bereits über einen größeren Flächenbereich dreidimensional vorgeformtes Blech sein, wobei dann das zweite Werkzeugelement eine entsprechende dreidimensional gewölbte Kontur aufweist, in welche die Gravur eingebracht ist. Die Krümmungen des Bleches und des zweiten Werkzeugelementes sind dabei im Wesentlichen gleich ausgebildet.
Die Gravur des ersten Werkzeugelementes kann unterschiedlich ausgebildet sein. Zum einen ist es möglich, diese mit 3D-Strukturelementen als Negativ der im Halbzeug abzubildenden Struktur zu versehen. Das Halbzeug/Blech legt sich dabei im Bereich der Gravur durch den Energieeintrag des zweiten Werkzeugelementes komplett an die 3D-Strukturelemente an.
Andererseits kann die Gravur Stützwände mit annähernd senkrechten Wänden und zwischen den Stützwänden gebildeten Ausnehmungen aufweisen, so dass sich das Halbzeug/Blech durch den Energieeintrag des zweiten Werkzeugelementes auf den Stützwänden abstützt und sich im Wesentlichen frei in die Ausnehmungen unter Bildung einer 3D-Strukturierung /Wölbstrukturierung einformt. In diesem Fall kann die Höhe der sich in den Ausnehmungen einstellenden 3D-Strukturierung des Bleches kleiner oder gleich der Tiefe der Ausnehmungen in der Gravur sein und durch den Energieeintrag des zweiten Werkzeugelementes eingestellt werden. Das erste Werkzeugelement kann auch nach der Gravur vor oder in seinem Randbereich abgewinkelt sein, so dass unterschiedliche Randgeometrien im Bauteil erzeugbar sind.
Weiterhin ist es möglich, im ersten Werkzeugelement Bereiche mit unterschiedlich ausgestalteten 3D-Strukturen vorzusehen.
Das zweite Werkzeugelement kann in einer ersten Variante in Richtung zur Gravur eine der Größe der Gravur im Wesentlichen entsprechende Elastomerplatte aufweisen und zum Energieeintrag in Richtung zum ersten Werkzeugelement bewegbar sein. Nachdem das Halbzeug auf dem ersten Werkzeugelement positioniert wurde, bewegt sich dann das zweite Werkzeugelement in Richtung zum ersten Werkzeugelement und wirkt auf das Blech mit einer Umformkraft, so dass sich das Material des Bleches durch die elastische Platte in die Gravur formt. Der am Halbzeug vorhandene Randbereich kann dabei fixiert werden. Dazu ist das dritte Werkzeugelementrelativ zum ersten Werkzeugelement in der Art eines Niederhalters bewegbar und fixiert den Randbereich bzw. wirkt auf diesen mit einer Haltekraft bzw. Niederhalterkraft.
Wird ein Halbzeug mit einer dreidimensional vorgeformten Kontur verwendet, weist das erste Werkzeugelement eine korrespondierende dreidimensional geformte Gravurfläche auf und auch die Elastomerplatte des zweiten Werkzeugelementes ist in Richtung zum Blech mit einer korrespondierenden dreidimensional gewölbten Kontur versehen.
Besitzt die Gravur Stützwände und zwischen den Stützwänden gebildete Ausnehmungen, so ist es möglich, die Höhe der sich im Blech einstellenden 3D-Strukturen durch die Höhe und Härte/Elastizität der Elastomerplatte und die in Richtung zum ersten Werkzeugelement wirkende Umformkraft zu definieren. Durch eine Veränderung der Härte/Elastizität der Elastomerplatte und/oder eine Änderung der Umformkraft ist es auch möglich, die Höhe der 3D-Strukturen im Blech entsprechend zu verändern. Dabei ist es auch möglich, die Elastomerplatte aus Elastomerplattenelementen mit unterschiedlichen Elastizitäten zusammenzusetzen. Dadurch können ebenfalls unterschiedliche Strukturbereiche in der 3D-Struktur (Wölbstruktur) erzeugt werden. Damit können bei Verwendung einer Gravur, die über ihre gesamte Fläche eine gleiche Stützstruktur mit Ausnehmungen aufweist, durch unterschiedliche Elastomere, die im zweiten Werkzeugelement angeordnet sind, unterschiedlich tiefe Wölbstrukturen hergestellt werden. Selbstverständlich können zusätzlich die in der Gravur eingebrachten Strukturen unterschiedlich sein.
Nach einer zweiten Variante der Erfindung ist das zweite Werkzeugelement in Form eines elektromagnetischen Aktuators ausgebildet, der den Energieeintrag durch ein magnetisches Feld zur Umformung des Bleches erzeugt.
Wird ein drittes Werkzeugelement zum Fixieren oder Klemmen des Blechrandes verwendet, können der elektromagnetische Aktuator und das dritte Werkzeugelement zueinander gestellfest angeordnet sein oder das dritte Werkzeugelement relativ zum ersten Werkzeugelement in der Art eines Niederhalters bewegbar und geeignet, den Blechrand mit einer Niederhalterkraft zu beaufschlagen oder zumindest zu fixieren.
Wird eine Gravur mit Stützwänden und zwischen den Stützwänden gebildeten Ausnehmungen verwendet, so wird die Höhe der sich im Blech einstellenden 3D-Strukturen durch die mit dem elektromagnetischen Aktuator erzeugte und in Richtung zum ersten Werkzeugelement wirkende Umformkraft induziert durch die magnetische Feldstärke. Durch eine Änderung der magnetischen Feldstärke des ektromagnetischen Aktuators kann die Tiefe und die Ausformung der sich im Blech einstellenden 3D-Strukturen eingestellt bzw. verändert werden. Zur Ausbildung unterschiedlicher 3D-Strukturen im Bauteil kann die Gravur unterschiedliche 3D-Strukturelemente als Negativ der im Halbzeug abzubildenden Struktur aufweisen bzw. unterschiedliche Stützwände bzw. Rasterungen und Größen und Rasterungen von Stützwänden und entsprechenden Ausnehmungen aufweisen. Die Stützwände weisen bevorzugt annähernd senkrechte Wände auf. Weiterhin ist es möglich, dass das Werkzeug zumindest einen in etwa einheitlichen Strukturbereich aufweist und durch unterschiedlichen Energieeintrag im Bauteil unterschiedlich tiefe Strukturen erzeugbar sind.
Durch die Integration der Vorrichtung in ein Folgeverbundwerkzeug oder eine Transfereinrichtung kann die Herstellung der Wölbstrukturierung einfach in den Fertigungsprozess und in vor- oder nachgelagerte Fertigungsstufen integriert werden. Durch ein dreidimensional strukturiertes Flächenelement, insbesondere in Form eines Bleches mit Wölbstruktur, beispielsweise in einem Innenausstattungsteil eines Fahrzeuges oder in einem anderen Produkt, ergeben sich neben einem verringertem Gewicht auch verbesserte Gebrauchseigenschaften. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dabei eine materialschonende Umformung des Halbzeuges realisiert werden.
Es ist mit der Vorrichtung auch möglich, Werkstoffe mit hohen Festigkeiten mit einer Wölbstrukturierung zu versehen. Beispielsweise können Materialien (Blech) aus Stahl, Aluminium, Magnesium usw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bearbeitet werden
Weiterhin kann der neuartige Aufbau klimatisierend wirken und die akustischen Eigenschaften verbessern, wodurch insgesamt ein verbesserter Komfort erzielt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Werkzeugelement in der Draufsicht, dass 3D-Strukturelemente als Negativ aufweist,
2 ein erstes Werkzeugelement gem. 1 in dreidimensionaler Ansicht,
3 ein erstes Werkzeugelement in der Draufsicht, wobei die Gravur Stützwände aufweist und zwischen den Stützwänden gebildete Ausnehmungen vorhanden sind,
4 erstes Werkzeugelement gem. 3 in dreidimensionale Ansicht,
5 eine Teildarstellung eines ersten Werkzeugelementes mit einer dreidimensional gekrümmten Anlagefläche und einer Gravur mit Stützwänden,
6 eine Teildarstellung eines mit einer Wölbstruktur versehenen Werkstücks,
7 einen Schnitt durch ein erstes Werkzeugelement mit Stützwänden und einem eingeformten Blech,
8 die Prinzipdarstellung eines ersten Werkzeugelementes, eines damit umzuformenden Halbzeuges, welches durch Tiefziehen vorgeformt wurde, und eines darüber angeordneten zweiten Werkzeugelementes mit einer Elastomerplatte,
9 die Prinzipdarstellung gem. 8, wobei das Halbzeug in das erste Werkzeugelement eingelegt wurde,
10 die Prinzipdarstellung einer Vorrichtung mit einem zweiten Werkzeugelement in Form eines elektromechanischen Aktuators,
11 die Prinzipdarstellung eines Werkzeuges zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem im Wesentlichen ebenen Bauteil mit einem elastomeren Material,
12 die Prinzipdarstellung eines Werkzeuges zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem im Wesentlichen ebenen Bauteil mit drei Bereichen im elastomeren Material, die jeweils separat über Zylinder mit der Umformkraft beaufschlagbar sind,
13 die Prinzipdarstellung eines Werkzeuges zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem im Wesentlichen ebenen Bauteil mit einem elastomeren Material, welches unterschiedliche Höhen aufweist,
14 die Prinzipdarstellung eines Werkzeuges zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem im Wesentlichen ebenen Bauteil mit einem elastomeren Material, welches in Richtung zum Bauteil an seiner Wirkfläche zweite Hauptformelemente aufweist, die mit ersten Hauptformelementen im ersten Werkzeugelement korrespondieren, wobei die Hauptformelemente zusätzlich eine Feinstruktur mit Nebenformelementen zur Ausbildung einer 3D-Struktur aufweisen,
15 eine Darstellung eines Werkzeuges, wobei das zweite Werkzeugelement in Richtung zum Bauteil gewölbt ist vor dem Umformvorgang und
16 nach Beendigung des Umformvorgangs,
17 eine weitere Gestaltungsvariante des zweiten Werkzeugelementes und des damit umgeformten im Wesentlichen ebenen Halbzeuges,
18 die Prinzipdarstellungen zur Erzeugung einer 3D-Struktur in einem schalenförmig vorgeformten Halbzeug, welches in Darstellung a in eine konkav gekrümmten Form des ersten Werkzeuges eingelegt ist und in Darstellung b, welches auf einer konvex gekrümmten Form des ersten Werkzeuges aufliegt;
die 19 bis 25 eine Variante der Gestaltung der Stationen eines Folgeverbundwerkzeuges und dabei
19 eine erste Station, bei welcher in ein im Wesentlichen ebenes Blech (Ronde) ein Formelement mit einem Stempel eingebracht wird,
20 die Einzelheit A Gemäß 19,
21 eine weitere zweite Station, bei welcher unter Anwendung eines elastischen Mediums eine 3D-Strukrut ausgeformt wird, wobei das bereits eingebrachte Formelement abgestützt wird,
22 die Einzelheit B gemäß 21,
23 die Einbringung einer Randkontur und optional die Realisierung des Bauteilbeschnitts,
24 die Einzelheit C gemäß 23,
25 die Einzelheit D gemäß 23,
26 die Draufsicht eines in den Stationen St1 bis St3 hergestellten Halbzeuges.
In 1 ist ein erstes Werkzeugelement 1 in der Art eines Formstempels mit im Wesentlichen flacher Ersteckung in der Draufsicht und in 2 in dreidimensionaler Darstellung angebildet, welches eine Gravur 2 mit 3D-Strukturelementen 3 als Negativ aufweist für die 3D-Struktur des herzustellenden Bauteils aufweist. Die 3D-Strukturelemente 3 sind in Form von flachen Mulden und in der Draufsicht sechseckig ausgebildet. An die Gravur 2 schließt sich eine umlaufende schmale Fläche 4 an, die in einem Freiwinkel α geneigt ist an diese grenzt eine ebenfalls umlaufende Randfläche 5 zur Erzeugung eines flachen Randes eines hier nicht dargestellten Bauteiles.
In 3 wird ein erstes Werkzeugelement 1 mit einer Gravur 2 in der Draufsicht und in 4 in dreidimensionaler Darstellung gezeigt, wobei die Gravur 2 Stützwände 6 aufweist und zwischen den Stützwänden 6 Ausnehmungen 7 vorhanden sind. Die Stützwände sind wabenförmig (sechseckig) zueinander angeordnet und stehen miteinander in Verbindung. Auch hier schließt sich an die Gravur 2 eine umlaufende schmale Fläche 4 an, die in einem Freiwinkel α geneigt ist und an welche ebenfalls eine umlaufende Randfläche 5 zur Erzeugung eines flachen Randes eines hier nicht dargestellten Bauteiles abgrenzt.
Eine Teildarstellung eines ersten Werkzeugelementes 1 mit einer dreidimensional gekrümmten nicht bezeichneten Anlagefläche für ein Halbzeug und einer darin eingebrachten Gravur 2 mit Stützwänden 6 und Ausnehmungen 7 ist in 5 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich an die Gravur 2 eine Randfläche 5 anschließt, die erst in der Erstreckung der Gravur verläuft und dann in einem Bereich 5.1 nach unten abgewinkelt ist.
6 zeigt eine Teildarstellung eines mit einer Wölbstruktur W versehenen Bauteil 8. Die Wölbstruktur W wurde mit dem in 5 dargestellten ersten Werkzeugelement 1 hergestellt. An diese schließt sich im Bauteil 8 ein umlaufender Randbereich 9 an, der gemäß der Randfläche 5 ausgebildet ist. An den Randbereich 9 schließt sich ein im Winkel gebogener Bereich 9.1 an, der mit dem Bereich 5.1 (5) korrespondiert. An diesen schließt ein Flansch 10 an. Je nach dem, wie das Bauteil 8 weiter verarbeitet werden soll, wird es nachfolgend im Randbereich 9, im Bereich 9,1 oder im Flansch 10 beschnitten.
In 7 ist ein Schnitt durch ein erstes Werkzeugelement 1 mit Stützwänden 6 Ausnehmungen 7 und einem eingeformten Bauteil 8 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass die Höhe h der sich in den Ausnehmungen 7 einstellenden 3D-Strukturierung/ Wölbstrukturierung W des Bauteils 8 kleiner ist als die Tiefe t der Ausnehmungen 7. Die Höhe h lässt sich durch den Energieeintrag des hier nicht dargestellten zweiten Werkzeugelementes einstellen.
Die Prinzipdarstellung einer Vorrichtung mit einem ersten Werkzeugelement 1, welches in einem Unterwerkzeug 11 (z.B. auswechselbar und gestellfest) angeordnet ist, eines damit umzuformenden Halbzeuges 12, welches durch Tiefziehen vorgeformt wurde, und eines darüber angeordneten zweiten Werkzeugelementes 13 in Form eines Stempels mit einer Elastomerplatte 14 in Richtung zum Unterwerkzeug 1 ist in 8 dargestellt. Das Halbzeug 12 wurde aus einer Blechronde durch Tiefziehen vorgeformt und weist eine napfförmige Gestalt mit einem Boden 12.1, einen Wandbereich 12.2 und einen nach außen weisenden Flansch 12.3 auf. Der Boden 12.1 ist entgegen dem Flansch 12.3 konvex nach außen mit einer dreidimensionalen Kontur vorgeformt. Die Gravur 2 im ersten Werkzeugelement 1 weist eine dem Boden 12.1 angepasste konvexe Kontur auf und die sich anschließende Randfläche 5 entspricht ebenfalls dem Verlauf des Bodens 12.1 des Halbzeuges 12. Der in Richtung zum Unterwerkzeug 11 abgewinkelte Bereich 5.1 entspricht im Wesentlichen der Höhe des Wandbereiches 12.2. Das zweite Werkzeugelement 13 ist korrespondierend mit dem Boden 12.1 in dessen Richtung konkav gekrümmt und auch die daran befestigte Elastomerplatte 14 weist eine konkave Krümmung auf.
9 zeigt die Prinzipdarstellung gem. 8, wobei das Halbzeug 12 in das erste Werkzeugelement 1 eingelegt wurde. Das Halbzeug 12 liegt mit seinem Boden 12.1 auf der hier nicht sichtbaren Gravur und dem nicht sichtbaren Rand 5 auf und umringt mit seinem sich im Wesentlichen senkrecht zur Achse A erstreckenden Wandbereich 12.2 den hier ebenfalls nicht sichtbaren Bereich 5.1 des ersten Werkzeugelementes und liegt mit seinem Flansch 12.3 auf der Oberseite des Unterwerkzeuges 11 auf. Nun wird das stempelartige zweite Werkzeugelement 13 in Pfeilrichtung auf den Boden 12.1 und gegen die Gravur des ersten Werkzeugelementes 1 mit einer Kraft Fu gepresst, wodurch sich das Material des Bodens des Halbzeuges 12 in die Gravur 2 des ersten Werkzeugelementes 1 einformt und dadurch eine 3D-Strukturierung in der Art einer Wölbstruktur im Boden 12.1 erzeugt wird. Es ist möglich, den Flansch 12.3 dabei mit einem dritten Werkzeugelement in der Art eines ringförmigen bzw. umlaufenden Stempels 16 zu fixieren oder mit einer Haltekraft zu beaufschlagen. Eine weitere Variante zur Herstellung der 3D-Struktur wird in 10 als Prinzipdarstellung gezeigt. Die Vorrichtung weist ein zweites Werkzeugelement in Form eines elektromechanischen Aktuators 15 auf, der nach dem Positionieren des Halbzeuges 12 auf dem ersten Werkzeugelement 1 darüber positioniert wird und durch die Feldstärke eines Magnetfeldes den Boden 12.2 in die Gravur 2 des ersten Werkzeugelementes 1 einformt und dadurch die 3D-Sruktur erzeugt.
Auch hier ist es vorteilhaft, wenn der Flansch 12.3, der auf dem Unterwerkzeug 11 aufliegt durch einen Stempel 16 in der Art eines Niederhalters fixiert oder mit einer Haltekraft beaufschlagt wird.
Gemäß der 11 bis 16 wird ein Werkzeug zur Herstellung einer 3D-Struktur / Wölbstruktur in einem im Wesentlichen ebenen Bauteil mit einem Stempel/zweiten Werkzeugelement 13 aus einem elastomeren Material vorgesehen. Das erste Werkzeugelement 1 liegt beispielsweise auf einem nicht dargestellten Pressentisch auf und weist einen im Wesentlichen ebenen Randbereich 5 auf, so dass der Randbereich des Halbzeuges 12 nicht oder nur unwesentlich umgeformt wird. Auf dem ersten Werkzeugelement 1 liegt das Halbzeug 12 in Form einer im Wesentlich ebenen Blechronde auf. Innerhalb des Randbereiches 5 ist das erste Werkzeugelement 1 mit einer Gravur 2 versehen, die im Wesentlichen das Negativ einer im Halbzeug 12 abzubildenden 3D-Struktur bildet und Stützwände 6 mit dazwischen gebildeten Ausnehmungen 7 aufweist. An der vom ersten Werkzeugelement 1 abweisenden Seite des Halbzeuges 12 liegt im Randbereich ein drittes Werkzeugelement in der Art eines (Ring-)Stempels 16 an, der sich über Federelemente 17 an einer durch den Pressenstößel (nicht dargestellt) betätigbaren Platte 18 abstützt. Innerhalb des Stempels/des dritten Werkzeugelementes 16 ist das zweite Werkzeugelement 13 in Form eines elastomeren Materials angeordnet, welches hier dem Umformstempel bildet.
Das zweite Werkzeugelement 13 wird hier in dem dritten Werkzeugelement 16 geführt. Das dritte Werkzeugelement 16 und das zweite Werkzeugelement 13 sind relativ zueinander und zum ersten Werkzeugelement 1 entlang der Achse A bewegbar. Nachdem gemäß der 11 bis 16 das dritte Werkzeugelement (Stempel 16) auf den Randbereich des Halbzeuges 12 wirkt und sich dabei über die Federelemente 17 an der Platte 18 abstützt, wird das elastische zweite Werkzeugelement 13 in Richtung zum ersten Werkzeugelement 1 bewegt und drückt das Halbzeug 12 in die Gravur 2.
Folgende Unterschiede sind bei den Varianten nach den 11 bis 16 vorhanden:
Gemäß 11 ist das zweite Werkzeugelement 13 (bildet den Umformstempel) in Form einer durchgängigen elastomeren Platte mit einheitlicher Höhe ausgebildet. Zwischen dem zweiten Werkzeugelement 13 und der Platte 18 ist eine zusätzliche Druckplatte 19 angeordnet. Das dritte Werkzeugelement (Stempel 16) beaufschlagt hier bereits das Blech/Halbzeug 12 mit einer Haltekraft F1 gegen den Randbereich 5 des ersten Werkzeugelementes 1. Die Gravur 2 weist eine einheitliche Höhe auf. Bei Betätigung der Platte 18 wird über die Druckplatte 19 das zweite Werkzeugelement 13 gegen das Halbzeug 12 bewegt und das Halbzeug 12 durch die wirkende Umformkraft Fu in die Gravur 2 des ersten Werkzeugelementes 1 gepresst, wodurch sich im Halbzeug 12 eine Wölbstruktur ausbildet (nicht dargestellt).
Gemäß 12 ist das zweite Werkzeugelement 13 in drei Bereiche 13.1, 13.2, 13.3 unterteilt, die jeweils separat über mindestens einen Zylinder Z1 bis Z3 mit der erforderlichen Umformkraft beaufschlagbar sind, wobei über den ersten Zylinder Z1 eine Umformkraft Fu1 auf den ersten Bereich 13.1, über den zweiten Zylinder Z2 eine Umformkraft Fu2 auf den zweiten Bereich 13.2 und über den dritten Zylinder Z3 eine Umformkraft Fu3 auf den dritten Bereich 13.3 erzeugt wird und die Umformkräfte Fu1, Fu2, Fu3 gleich oder unterschiedlich sein können. Zusätzlich können die Bereiche 13.1, 13.2, 13.3 aus unterschiedlichen elastomeren Materialien mit unterschiedlichen Shorehärten gefertigt sein.
Die Gravur 2 ist hier unterhalb des mittleren Bereichs 13.2 tiefer ausgebildet. Zur Herstellung der 3D-Struktur wird das zweite Werkzeugelement 13 an das Blech/Halbzeug 12 bewegt und nun bevorzugt zuerst der mittlere zweite Bereich 13.2 durch Betätigung des zweiten Zylinders Z2 in Richtung zum ersten Werkzeug 1 bewegt mit einer ersten Kraft Fu2. Nun werden über den ersten Zylinder Z1 und den zweiten Zylinder Z2 die beiden anderen Bereiche 13.1 und 13.3 des zweiten Werkzeugelementes 13 gegen das Halbzeug 12 mit den Kräften Fu1 und Fu3 gepresst, die hier gleich sind aber geringer sein können als Fu2, da die darunter liegende Gravur nicht so tief ausgebildet ist. Dadurch formt sich zuerst in der Mitte und dann in Richtung zu den Randbereichen die 3D-Stuktur im Halbzeug 12 aus. Selbstverständlich kann auch eine nicht dargestellte Anordnung mit einem nicht symmetrischen Aufbau und mit weniger oder mehr unterschiedlichen Bereichen des zweiten Werkzeugelementes gewählt werden.
13 zeigt die Prinzipdarstellung eines Werkzeuges zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem im Wesentlichen ebenen Bauteil/Halbzeug 12 mit einem elastomeren Material, welches unterschiedliche Höhen H1 und H2 in asymmetrischer Anordnung aufweist. Ansonsten ist der Aufbau analog zu 11. Durch die unterschiedlichen Dicken H1, H2 formt das elastomere Material des zweiten Werkzeugelements 13 das Halbzeug 12 unterschiedlich um. In dem höheren Bereich H2 sind die erzielbaren Umformwege größer als in dem Bereich mit der geringeren Höhe H2. Daher kann hier unterhalb des Bereiches mit der Höhe H1 eine tiefere Gravur 2 vorgesehen werden als unter den Bereichen mit der Höhe H2.
Die Prinzipdarstellung eines Werkzeuges zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem im Wesentlichen ebenen Halbzeug 12 mit einem elastomeren Material, welches in Richtung zum Bauteil/Halbzeug 12 an der Wirkfläche des zweiten Werkzeugelementes 13 zweite Hauptformelemente 20.2 aufweist, die mit ersten Hauptformelementen 20.1 im ersten Werkzeugelement 1 korrespondieren, zeigt 14. Dabei weisen die Hauptformelemente 20.1 des ersten Werkzeugelementes 1 zusätzlich eine Feinstruktur mit Nebenformelementen in der Art einer Gravur 2 mit Stützwänden 6 und dazwischen gebildeten Ausnehmungen 7 zur Ausbildung einer 3D-Struktur auf.
15 zeigt die Prinzipdarstellung einer weiteren Variante des Werkzeuges, vor und 16 nach dem Umformvorgang, wobei das erste Werkzeugelement eine Gravur 2 mit Stützwänden 6 und dazwischen gebildeten Ausnehmungen 7 aufweist, die über ihren gesamten Bereich im Wesentlichen mit der gleichen Struktur und Tiefe versehen ist. Das zweite Werkzeugelement 13 ist an seiner in Richtung zum Halbzeug 12 weisenden Wirkfläche 13W gewölbt ausgeführt. Dadurch greift zuerst der hier mittige Bereich des zweiten Werkzeugelementes 13 am Halbzeug 12 an und drückt dieses in die Gravur 2. Bei einer weiteren Hubbewegung des zweiten Werkzeugelementes 13 in Richtung zum ersten Werkzeugelement 1 wird das Halbzeug 12 durch das sich ändernde Höhenniveau der Wirkfläche 13W im Vergleich zur Gravur 2 unterschiedlich Tief in die Gravur 2 geformt – hier im mittleren Bereich am meisten und in Richtung zum Randbereich weniger, wie aus 16 ersichtlich ist. Die im Halbzeug 12 erzeugte Wölbstruktur W ist somit hier im mittleren Bereich am tiefsten ausgebildet und läuft in Richtung zu den Randbereichen aus. In dem vorgenannt beschriebenen Beispiel läuft der Umformprozess, wie meist gewünscht von innen nach außen ab.
Selbstverständlich kann auch ein asymmetrischer Verlauf der Wölbstruktur bei einer entsprechenden Gestaltung de zweiten Werkzeugelementes erzeugt werden. In 17 ist schematisch ein zweites Werkzeugelement 13 mit einer abgeschrägten Wirkfläche 13W und der Schnitt durch das Halbzeug 12 mit der dadurch erzeugten Wölbstruktur W dargestellt, die auf einer Seite am tiefsten ist und zur gegenüberliegenden Seite immer flacher wird.
Durch diese im Vergleich zu der lichten Kontur der Stützelemente 6 unterschiedliche Kontur des zweiten Werkzeugelementes 13 kann der Umformprozess gezielt beeinflusst werden.
Zum dreidimensionalen Strukturieren eines vorgeformten schalen- oder napfartigen Halbzeuges 12 weist das erste Werkzeugelement 1 Stützelemente 6 auf, deren lichte konvexe Kontur der konkaven Seite des Halbzeuges 12 so angepasst wird, dass die Krümmung des Halbzeuges 12 im Wesentlichen der Krümmung der lichten Kontur der Stützelemente 6 entspricht (s. 8 und 9) und das Halbzeug somit zuverlässig und sicher am ersten Werkzeugelement 1 anliegt.
Das zweite Werkzeugelement 13 kann auch gemäß 18 in Richtung zum Halbzeug 12 eine Krümmung aufweisen, die gewährleistet, dass bei Druckbeaufschlagung in Richtung zum ersten Werkzeugelement 1 zuerst nur ein Bereich der Wirkfläche 13W des zweiten Werkzeugelementes 13 das Halbzeug 12 berührt und in diesem Bereich die Umformung des Halbzeuges 12 in die Stützelemente der Struktur – hier nicht dargestellt – beginnt. Bei weiterer Druckbeaufschlagung werden fortschreitend die anderen Bereiche des Halbzeuges 12 in die Gravur des ersten Werkzeugelementes 1 eingeformt.
In 18a liegt ein Halbzeug 12 in Form einer vorgeformten Schale mit seiner konvex gekrümmten Seite in einer konkav gekrümmten Ausnehmung des ersten Werkzeugelementes 1. Im Bereich der konkav gekrümmten Ausnehmung befindet sich eine hier nicht dargestellte Gravur mit Stützelementen. Die Anlageflächen von Halbzeug und erstem Werkzeugelement 1 (Gravur) weisen im Wesentlichen eine gleiche zueinander korrespondierende Kontur auf, hier einen Radius R1, der nach unten gewölbt ist. Das zweite Werkzeugelement 13 ist in Richtung zum Halbzeug 12 konvex mit einem Radius R2 gekrümmt, der geringer ist als der Radius R1.
In der Variante nach Bild b in 18 liegt das Halbzeug 12 mit seinem konkav gekrümmten Bereich auf einer konvexen Krümmung (mit einer nicht dargestellten Gravur mit Stützelementen) des ersten Werkzeugelementes 1 auf, wobei auch hier die aneinanderliegenden Konturen einen im Wesentlichen gleichen Krümmungsradius R1 aufweisen, der hier nach oben gewölbt ist. Das zweite Werkzeugelement 13 ist in Richtung zum Halbzeug 12 konkav mit einem Radius R2 gekrümmt, der größer ist als der Radius R1.
Wird in den beiden Varianten a und b der 18 das zweite Werkzeugelement 13 in Richtung zum ersten Werkzeugelement 1 bewegt, legt sich zuerst der mittlere Bereich des zweiten Werkzeugelementes 13 an das Halbzeug 12 an, welches zwischen dem ersten und dem zweiten Werkzeugelement 1, 13 angeordnet ist, so dass im hier mittleren Bereich des Halbzeuges 12 der Strukturierungsprozess eingeleitet wird und bei einer weiteren Hubbewegung des zweiten Werkzeugelementes 13 in Richtung zum ersten Werkzeugelement 1 nach außen in Richtung zum Randbereich 5 des ersten Werkzeuges 1 fortschreitet.
Die 19 bis 25 zeigen eine Variante der Gestaltung der Stationen eines Folgeverbundwerkzeuges.
Gemäß 19 erfolgt in einer ersten Station St1 das Einbringen eines Hauptformelementes H in ein Blech /Halbzeug 12 durch einen herkömmlichen Stempel 22, mit dem das Halbzeug 12 bereichsweise in eine Ausnehmung 23 eines Unterwerkzeuges 24 geformt wurde. Die in 18 dargestellte Einzelheit A zeigt, dass mit dem Hauptformelement H eine flache Ausformung erzeugt wurde, die jedoch im Übergangsbereich versteifende Strukturelemente S aufweist
21 zeigt die zweite Station St2, bei welcher unter Anwendung eines elastischen Mediums (zweites Werkzeugelement 13) eine 3D-Struktur im Halbzeug 12 ausgeformt wird, die das Hauptformelement H umringt. Das erste Werkzeugelement 1 weist einen im Wesentlichen ebenen Randbereich 5 auf, auf dem das Halbzeug 12 randseitig aufliegt. Im ersten Werkzeugelement 1, welches hier unterhalb des Halbzeuges 12 angeordnet ist, befindet sich die Gravur 2 mit Stützelementen 6 und dazwischen gebildeten Ausnehmungen 7 umfangsseitig zu einem ersten Abstützelement 25.1. Das erste Abstützelement 25.1 ist entgegen der Federkraft eines Federelementes 26 in dem ersten Werkzeugelement 1 nach unten drückbar und stützt das Hauptformelement H hier von unten ab. Das zweite Werkzeugelement 13 ist gemäß 17 oberhalb des Halbzeuges 12 angeordnet und weist ein zweites Abstützelement 25.2 auf, welches das Hauptformelement von oben abstützt. Umfangsseitig zum zweiten Abstützelement 25.2 ist in einer nach unten offenen Umhausung 27 das zweite Werkzeugelement 13 angeordnet. Die Umhausung 27 und damit das zweite Werkzeugelement 13 wird von dem dritten Werkzeugelement 16 umringt, welches den Randbereich des Halbzeuges 12 gegen den Randbereich 5 des ersten Werkzeugelementes 1 fixiert. Wird das zweite Werkzeugelement 13 über die Oberseite der Umhausung 27 durch eine in Richtung der Längsachse A wirkende Kraft des nicht dargestellten Pressenstempels in Richtung zum ersten Werkzeugelement 1 bewegt, wird das Hauptformelement H zwischen dem ersten Abstützelement 25.1 und dem zweiten Abstützelement 25.2 geklemmt und das erste Abstützelement 25.1 entgegen der Federkraft des Federelementes 27 bewegt. Das Elastomer des zweiten Werkzeugelementes 13 presst das Halbzeug 12 in die Gravur 2, wodurch eine dreidimensionale Struktur/Wölbstruktur W (s. Einzelheit B gem. 20) in der Art eines Nebenformelementes N im Halbzeug 12 erzeugt wird.
In einer dritten Station St3 erfolgt anschließend gemäß 23 die Einbringung einer Randkontur R (s. Einzelheit C in 22) und optional die Realisierung des Bauteilbeschnitts bzw. eines Ausschnitts AS (s. Einzelheit D gemäß 19)
26 zeugt das in den Stationen St1 bis St3 umgeformte Halbzeug 12 in der Draufsicht mit dem hier asymmetrisch angeordneten Hauptformelement H, welches von versteifenden Strukturelementen S umgeben ist. An die Strukturelemente schließt sich bis zum nicht bezeichneten Randbereich eine Wölbstruktur W an, die in der Art eines Nebenformelementes N in das Halbzeug 12 eingebracht wurde. Im Randbereich ist eine Randkontur R und ein Ausschnitt AS eingebracht.
Auch bei dem vorgenannten Ausführungsbeispiel erfolgen die Umformprozesse im Halbzeug von innen nach außen.
Selbstverständlich können auch je nach der Geometrie des herzustellenden Bauteils andere Vorformen in Halbzeug realisiert werden. Das vorgeformte Halbzeug 12 wird dann zumindest mit dem Bereich der mit einer 3D-Struktur versehen werden soll, an die Gravur des ersten Werkzeugelementes 1 angelegt und dann durch das zweite Werkzeugelement 13 umgeformt.
Es können 3D-Strukturierungen in den unterschiedlichsten Varianten in regelmäßigen oder unregelmäßigen Anordnungen in gleichen oder unterschiedlichen Größen in das Bauteil eingebracht werden. Die Grundform der 3D-Strukturierung kann (in der Draufsicht) in Form eines Vielecks (sechseckig, dreieckig usw.), rund oder oval ausgebildet sein.
Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wölbstrukturierten Bleche sind für alle Bereiche prädestiniert, in welche erhöhte Festigkeits- bzw. Steifigkeitsanforderungen von Wichtigkeit sind. Vorteilhaft sind auch die schalldämmenden Eigenschaften der wölbstrukturierten Bauteile.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10259591 A1 [0002]
DE 10321032 B4 [0003]
DE 102005025620 A1 [0003]
DE 102008056521 B3 [0003]
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DE 102011109123 B3 [0005]
DE 19711103 B4 [0010]
DE 102005013539 B4 [0011]
DE 102007053361 A1 [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines eine 3D-Strukturierung aufweisenden Bauteils mit einem Randbereich aus einem Halbzeug (12) in Form eines im Wesentlichen ebenen oder zumindest bereichsweise vorgeformten Bleches, – unter Verwendung eines ersten Werkzeugelementes (1) mit einer Gravur (2) zur Ausbildung einer 3D-Strukturierung in dem Bauteil(Halbzeug (12), wobei sich an die Gravur (2) des ersten Werkzeugelementes (1) eine dem Randbereich des herzustellenden Bauteils im Wesentlichen entsprechende Randfläche (5) anschließt und – dem ersten Werkzeugelement (1) gegenüberliegend ein zweites Werkzeugelement (2) angeordnet ist, mit dem durch einen Energieeintrag das Material des Halbzeuges (12) in die Gravur des ersten Werkzeugelementes (1) einformbar ist und – sich an das zweite Werkzeugelement umfangsseitig zumindest bereichsweise ein drittes Werkzeugelement anschließt – und das dritte Werkzeugelement relativ zum ersten und zum zweiten Werkzeugelement bewegbar ist und vor und/oder während der Betätigung des zweiten Werkzeugelementes das Halbzeug (12) in dessen Randbereich gegen die Randfläche (5) des ersten Werkzeugelementes mit einer sich ändernden oder gleichbleibenden Kraft fixiert/presst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst durch das dritte Werkzeugelement das Halbzeug (12) gegen die Randfläche (5) des ersten Werkzeugelementes (1) angelegt und somit randseitig fixiert wird und anschließend durch den Energieeintrag des zweiten Werkzeugelementes das Material des Halbzeuges (12) in die Gravur (2) eingeformt wird, wobei ein Nachfließen des Bauteilwerkstoffes aus dem Randbereich des Halbzeuges (12) gewährleistet wird oder verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkzeugelement zumindest bereichsweise aus einem elastomeren Material besteht und zum Energieeintrag relativ zum dritten Werkzeugelement in Richtung zum ersten Werkzeugelement (1) bewegt wird und dass das elastomere Material bedarfsweise – in Richtung zum ersten Werkzeugelement (1) mit bereichsweise unterschiedlichen Kräften beaufschlagt wird und/oder – mit bereichsweise unterschiedlichen Elastizitäten auf das Halbzeug (12) wirkt und/oder – bereichsweise unterschiedliche Höhen aufweist und/oder – an seiner in Richtung zum ersten Werkzeugelement (1) weisenden Wirkfläche (13W) mit einer Strukturierung versehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkzeugelement in Form wenigstens eines ersten elektromagnetischen Aktuators ausgebildet ist, der den Energieeintrag zur Umformung des Halbzeuges (12) erzeugt und dass bedarfsweise durch den ersten elektromagnetischen Aktuator und/oder einen weiteren elektromagnetischen Aktuator das Halbzeug (12) zur Erhöhung des Umformvermögens vor und/oder während der Umformung erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (5) des ersten Werkzeugelementes (1) und der Randbereich des dritten Werkzeugelementes Formelemente aufweisen, durch welche der Randbereich des Halbzeuges (12), zumindest bereichsweise mit Formelementen versehen und/oder getrennt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, zur Herstellung eines eine 3D-Strukturierung aufweisenden Bauteils mit einem Randbereich, aus einem Halbzeug (12) in Form eines im Wesentlichen ebenen oder zumindest bereichsweise vorgeformten Bleches, – mit zumindest einem ersten Werkzeugelement (1) mit einer Gravur (2) zur Ausbildung einer 3D-Strukturierung in dem Halbzeug (12), wobei sich an die Gravur (2) des ersten Werkzeugelementes (1) eine dem Randbereich des herzustellenden Bauteils im Wesentlichen entsprechende Randfläche (5) anschließt und – dem ersten Werkzeugelement (1) gegenüberliegend ein zweites Werkzeugelement angeordnet ist, mit dem durch einen Energieeintrag das Material des Halbzeuges (12) in die Gravur (2) des ersten Werkzeugelementes (1) einformbar ist und – sich an das zweite Werkzeugelement umfangsseitig zumindest bereichsweise ein drittes Werkzeugelement anschließt – und das dritte Werkzeugelement relativ zum ersten und zum zweiten Werkzeugelement bewegbar ist und dadurch das Halbzeug (12) mit seinem Randbereich gegen die Randfläche (5) des ersten Werkzeugelementes (1) mit einer Haltekraft fixierbar/pressbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gravur (2) Stützwände (6) und zwischen den Stützwänden gebildete Ausnehmungen (7) aufweist und dass sich das Halbzeug (12) durch den Energieeintrag des zweiten Werkzeugelementes auf den Stützwänden (6) abstützt und sich im Wesentlichen frei in die Ausnehmungen (7) unter Bildung einer 3D-Strukturierung einformt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der sich in den Ausnehmungen einstellenden 3D-Strukturierung des Halbzeuges (12) durch den Energieeintrag des zweiten Werkzeugelementes einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkzeugelement zumindest bereichsweise aus einem elastomeren Material besteht und zum Energieeintrag relativ zum dritten Werkzeugelement in Richtung zum ersten Werkzeugelement (1) bewegbar ist und dass das elastomere Material bedarfsweise – in Richtung zum ersten Werkzeugelement (1) mit bereichsweise unterschiedlichen Kräften beaufschlagbar ist und/oder – bereichsweise unterschiedliche Elastizitäten aufweist und/oder – bereichsweise unterschiedliche Höhen aufweist und/oder – an seiner in Richtung zum ersten Werkzeugelement (1) weisenden Wirkfläche (13W) mit einer Strukturierung versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Gravur (2) mit Stützwänden (6) und zwischen den Stützwänden (6) gebildeten Ausnehmungen (7) die Höhe der sich im Halbzeug (12) einstellenden 3D-Strukturen/Wölbstrukturen (W) durch die Höhe (H) und/oder Härte/Elastizität der Elastomerplatte und/oder die in Richtung zum ersten Werkzeugelement (1) wirkende Umformkraft (Fu) bestimmt wird und durch Änderung der Höhe (H) und/oder Härte/Elastizität der Elastomerplatte und/oder Änderung der Umformkraft (Fu) einstellbar und/oder veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkzeugelement in Form wenigstens eines elektromagnetischen ersten Aktuators (15) ausgebildet ist, der den Energieeintrag erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass – bei einer Gravur (2) mit Stützwänden (6) und zwischen den Stützwänden (6) gebildeten Ausnehmungen (7) die Höhe der sich im Halbzeug (12) einstellenden 3D-Strukturen durch die mit dem elektromagnetischen ersten Aktuator (15) erzeugte und in Richtung zum ersten Werkzeugelement (1) wirkende Umformkraft bestimmt wird und durch Änderung der magnetischen Feldstärke des elektromagnetischen ersten Aktuators (15) einstellbar und/oder veränderbar ist und/oder – dass durch den ersten Aktuator (15) und/oder einen weiteren elektromagnetischen Aktuator das Bauteil so erwärmbar ist, dass sich dessen Formänderungsvermögen erhöht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gravur (2) des ersten Werkzeugelementes (1) unterschiedliche Strukturbereiche zur Ausbildung unterschiedlicher 3D-Strukturen im Halbzeug (12) aufweist oder dass das erste Werkzeugelement (1) zumindest einen in etwa einheitlichen Strukturbereich in der Gravur (2) aufweist und durch unterschiedlichen Energieeintrag im Halbzeug (12) eine Wölbstruktur (W) mit unterschiedlich tiefen Bereichen erzeugbar ist.