DE102009016215A1

DE102009016215A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils sowie zur Herstellung des Bauteils verwendbare Spanneinrichtung, Klapprahmen sowie Presswerkzeug

Info

Publication number: DE102009016215A1
Application number: DE200910016215
Authority: DE
Inventors: Hansjörg Kurz; Olaf Dr.-Ing. Täger; Hans Prof. Dr. Ferkel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG; Leichtbau Zentrum Sachsen GmbH
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2010-10-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles (10), insbesondere eines Karosserieteiles, bei dem ein im Wesentlichen ebenes, flächiges Halbzeug (11) zur Herstellung des Bauteils (10) zumindest bereichsweise ein plastisch verformbares Material aufweist, wobei das Verfahren den Verfahrensschritt Umformen umfasst, bei dem eine dreidimensionale Formgebung des Halbzeuges (11) mittels Aufeinanderpressen von Presselementen (80) mit komplementären Profil eines Presswerkzeuges (70) erfolgt. Es ist vorgesehen, dass vor der mechanischen Kontaktierung des Halbzeuges (11) mit einem Presselement (80) das Halbzeug (11) derart vorverformt und/oder vorpositioniert wird, so dass es im Wesentlichen bei Kontaktierung des Presselementes (80) an diesem mit einer größeren Fläche zur Anlage kommt, als es im ebenen Zustand bei Kontaktierung des Presselementes (80) anliegen würde. Die Erfindung betrifft ferner eine Spanneinrichtung (20) als Positionierungs- und/oder Transportmittel, einen Klapprahmen (60) zur Fixierung eines Halbzeuges (11) im vom Rahmen (60) umgebenden Bereich und in der Ebene des Rahmens (60) mittels Halteelementen sowie ein Presswerkzeug (70) und ein Kraftfahrzeug, welches ein Bauteil (10) aufweist, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Karosserieteils, bei dem ein im Wesentlichen ebenes, flächiges Halbzeug zur Herstellung des Bauteils warm umgeformt wird. Daneben betrifft die vorliegende Erfindung eine im Herstellungsprozess einsetzbare Spanneinrichtung als Positionierungs- und/oder Transporthilfsmittel sowie einen Klapprahmen, der die erfindungsgemäße Spanneinrichtung umfassen kann, und ein Presswerkzeug, welches wiederum den erfindungsgemäßen Klapprahmen umfassen kann. Außerdem ist die Erfindung auf ein Kraftfahrzeug gerichtet, welches ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil aufweist.
Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich bestehen zunehmend Kundenforderungen nach Individualisierung des Fahrzeuges hinsichtlich seines Aussehens und/oder seiner Eigenschaften. Dies führt bei gleichbleibender Gesamtzahl der zu produzierenden Fahrzeuge zu einer sinkenden Stückzahl pro Modell. Neben dieser Derivatisierung der Modellpalette besteht die Notwendigkeit des Leichtbaus von Kraftfahrzeugen zur Gewichts- und damit Emissionsreduzierung. Die genannten Forderungen können erfüllt werden, wenn insbesondere herkömmliche Karosserieteile durch Bauteile ersetzt werden, die wenigstens vergleichbare spezifische mechanische Eigenschaften mit einem geringen Gewicht kombinieren und außerdem in unterschiedlichster Formgestaltung wirtschaftlich herstellbar sind. Dies betrifft insbesondere Türen, Klappen, Deckel und ähnliche Kraftfahrzeuganbau- oder Karosserieteile. Aufgrund der gewünschten Derivatisierung scheiden in der Regel metallische Werkstoffe aus, da zur Herstellung einer Vielzahl unterschiedlich gestalteter Bauteile aus metallischen Werkstoffen sehr hohe Werkzeug- und Herstellungskosten anfallen.
Zur Substitution der metallischen Werkstoffe sind in letzter Zeit verstärkt Kunststoffe und dabei insbesondere Faserkunststoffverbunde (FKV) als Alternativen getestet und eingesetzt worden. Kunststoffe von Faserkunststoffverbundwerkstoffen lassen sich üblicherweise mit einer geringen Anzahl von Werkzeugen herstellen, da insbesondere bei Einsatz von Thermoplasten diese durch Warmumformung mit geringeren Prozesskräften und weniger Umformstufen als metallische Werkstoffe verarbeitet werden können. Außerdem bieten Kunststoffe und Faserkunststoffverbundwerkstoffe den Vorteil einer hohen Designfreiheit.
Kunststoffe und insbesondere Faserkunststoffverbundwerkstoffe liegen dabei üblicherweise als ebene, flächige Halbzeuge vor. Zur Erzeugung eines Kraftfahrzeugteiles, insbesondere eines Karosserieteiles, ist somit die Warmumformung eines solchen ebenen Halbzeuges erforderlich.
Zur Warmumformung von im Wesentlichen ebenen Kunststoffhalbzeugen sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt.
Es offenbart die DE 100 00 603 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formen eines dreidimensionalen Formproduktes aus einer Platte aus einem thermoplastischen Polymermaterial, wobei ein Klemmmechanismus zum Festklemmen der Platte an ihrer Randkante verwendet wird. Dieser Klemmmechanismus dient somit zur Fixierung des Halbzeuges im Umformprozess. Nachteilig an dem vorgestellten Verfahren und der dazugehörigen Vorrichtung ist, dass im Umformprozess das Halbzeug mit Werkzeugelementen kontaktiert, bevor die gesamte Umformung durch Anlage der anderen Werkzeugkonturen am Halbzeug und der damit verbundenen Krafteinleitung in das Halbzeug erfolgt. Dies hat ein so genanntes Einfrieren von Werkstoffbereichen zur Folge, das heißt, dass die zuerst kontaktierenden Abschnitte des Halbzeuges vor der Umformung der anderen Halbzeug-Abschnitte abgekühlt werden, damit früher erstarren und somit eine uneinheitliche Umformung sowie Erstarrung des Halbzeuges zur Folge haben.
In der EP 1 944 103 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umformen eines Halbzeuges mit automatischer Handhabung offenbart, wobei eine Greifeinrichtung genutzt wird, die ermöglicht, das umzuformende Halbzeug zu transportieren, zu positionieren und während der Umformung zu fixieren, wobei diese Arbeitsoperationen bevorzugt an einem Stangenmaterial durchgeführt werden sollen. Diese Vorrichtung ist allerdings nicht dazu geeignet, das Halbzeug, insbesondere ein ebenes, flächiges Halbzeug, unter Aufbringung von durch die Greifeinrichtung realisierter Zugspannung und unter Verhinderung einer frühzeitigen Kontaktierung einzelner Umformwerkzeugbereiche umzuformen.
In der DE 10 2004 032 778 A1 ist eine druckluftbetätigte Greifeinrichtung offenbart, mittels derer Halbzeuge gegriffen, transportiert und bewegt werden können, wobei als Antriebsmedium Druckluft verwendet wird. Insbesondere dient die Greifeinrichtung zur Positionierung von Bauteilen in Pressen. Durch die Verwendung eines Saugnapfes lassen sich insbesondere flächige, glatte Bauteile transportieren und positionieren. Das Problem des so genannten Einfrierens des Halbzeuges, insbesondere bei Warmumformung von Kunststoffen, wird durch die Verwendung dieser druckluftbetätigten Greifeinrichtung nicht gelöst.
In der DE 36 20 954 C2 ist ein Spannrahmen zum lösbaren Festhalten einer Folio beim Warmformen offenbart, wobei das Material der Folie ein tiefziehbarer thermoplastischer Kunststoff sein soll. Der Spannrahmen umfasst Klemmleisten, um die Folie an den Rändern festzuhalten beziehungsweise einzuklemmen und somit die gewünschte Verformung zu ermöglichen. Das heißt, dass mittels des in der DE 36 20 954 C2 als Erfindung genannten Spannrahmens die Folie in einer Ebene fixiert wird. Bei Kontaktierung von unebenen Werkzeugelementen tritt somit also auch hier bei Umformung das unerwünschte Einfrieren von Halbzeugbereichen auf.
Das generelle Verfahren zur Warmumformung von Kunststoffen, insbesondere Kunststoffen mit Sandwichstruktur, ist in der DE 196 04 611 A1 dargestellt. Es ist in diesem Dokument offenbart, dass ein Thermoplast über seine Schmelztemperatur hinaus erwärmt wird, vorzugsweise mit einer Infrarot-Wärmequelle, und dass diese Wärmezufuhr auch während des Pressvorganges erfolgen kann. Als umzuformende Werkstoffe werden hierbei Polypropylen und/oder Polyethylenterephthalat und/oder Polybutylenterephthalat und/oder Polyetherimid und/oder Polyphenylensulfid verwendet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie Vorrichtungen zur Verfügung zu stellen, mittels derer ein Halbzeug aus einem plastisch verformbarem Material in erwärmten Zustand in einfacher, zeitsparender und qualitätsoptimierter Weise unter Verwendung eines Umformverfahrens derart hergestellt werden kann, dass aufwendige Nacharbeitungen vermieden werden können und das Halbzeug in seinem Umformzonen ein Gefüge mit im Wesentlichen gleicher Qualität aufweist.
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch die erfindungsgemäße Spanneinrichtung gemäß Anspruch 6 und den erfindungsgemäßen Klapprahmen gemäß Anspruch 10 sowie das erfindungsgemäße Presswerkzeug gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Spanneinrichtung, Klapprahmen sowie Presswerkzeug sind in den dazugehörigen Unteransprüchen genannt. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 15, welches ein Bauteil aufweist, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt ist.
Erfindungemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Karosserieteiles, zur Verfügung gestellt, bei dem ein im Wesentlichen ebenes, flächiges Halbzeug zu Herstellung des Bauteils zumindest bereichsweise ein plastisch verformbares Material aufweist, wobei das Verfahren den Verfahrensschritt Warmumformen umfasst, bei dem eine dreidimensionale Formgebung des Halbzeuges mittels Aufeinanderpressen von Presselementen eines Presswerkzeuges erfolgt. Zur Formgebung weist jedes Presselement ein jeweils zum anderen Presselement komplementäres Profil auf. Erfindungsgemäß wird vor der mechanischen Kontaktierung des Halbzeuges mit einem Presselement das Halbzeug derart vorverformt und/oder vorpositioniert, dass es im Wesentlichen bei Kontaktierung mit dem Presselement an diesem mit einer größeren Fläche zur Anlage kommt, als es im ebenen Zustand bei Kontaktierung des Presselementes anliegen würde.
Dadurch, dass das Halbzeug vor der eigentlichen Umformung vorverformt und/oder vorpositioniert wird, wird es in eine Lage oder Form gebracht, die im Wesentlichen parallel zum Profil des jeweiligen Presselementes beziehungsweise eines Presselementabschnittes ist, der zwecks Umformung in mechanischen Kontakt mit dem Halbzeug zu bringen ist. Somit wird das Halbzeug beziehungsweise ein Halbzeugabschnitt auch parallel zum erzeugenden Profilabschnitt angeordnet. Diese Vorverformung beziehungsweise Vorpositionierung erfolgt, bevor das Halbzeug in Kontakt mit einem der Presselemente kommt. Es wird somit ein Einfrieren von Halbzeugbereichen durch frühzeitige Kontaktierung mit Presselementen vor dem eigentlichen Umformvorgang vermieden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei derart durchzuführen, dass das Halbzeug derart vorverformt und/oder vorpositioniert wird, dass es möglichst ganzflächig zum selben Zeitpunkt an den Presselementen, bevorzugt an den Presselementen eines Pressen-Ober- und Unterteils, zur Anlage kommt. Nach Anlage des Halbzeuges beziehungsweise der Halbzeugbereiche an den Presselementen wird der Umformvorgang durch Einleitung wenigstens einer im Wesentlichen senkrecht zur Fläche des Halbzeuges auf dieses aufgebrachten Kraft realisiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch vorteilhaft ausgestaltet, dass das Halbzeug während des Umformprozesses zumindest zeitweise durch Einleitung von in der Ebene des Halbzeuges wirkende Kräfte unter Spannung gehalten wird. Vorteilhafterweise soll das erfindungsgemäße Verfahren an einem im Wesentlichen ebenen, flächigen Halbzeug durchgeführt werden, das heißt, an einem Halbzeug, welches überwiegend eine zweidimensionale Erstreckung aufweist und im Wesentlichen in einer Ebene als ein flächiges Halbzeug vorliegt. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Umformung von Verbundwerkstoffen, wobei wenigstens eines der den Verbund realisierenden Werkstoffe plastisch verformbares Material aufweist. Zur Umformung dieses Verbundwerkstoffes ist es vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff in einem warmen Zustand in zumindest endkonturnahe Form umgeformt wird. Der Vorteil bei der Durchführung des Verfahrens unter Einleitung von halbzeugspannenden Kräften besteht darin, dass eine Faltenbildung im Halbzeug bei Umformung verringert beziehungsweise verhindert wird. Das heißt, dass das Halbzeug gespannt wird und auch bei Verformung unter einer derartigen Zugspannung gehalten wird, dass keine Faltenbildung bei Kontaktierung und Druckausübung durch die Presselemente erfolgt.
Insbesondere lassen sich damit Halbzeuge aus mehrschichtigen Faser-Thermoplast-Schichtverbundwerkstoffen (FTS) umformen, das heißt miteinander verbundene Lagen aus Folien und Fasern mit oder ohne Nano- oder Mikro-Füllstoffen. Gegenstand der Erfindung ist somit auch ein Bauteil, welches durch Umformung aus dem erzeugten Verbundmaterial erfindungemäß hergestellt ist.
Das Verbundmaterial wird in einer der Presseneinheit vorgelagerten so genannten Vorheizstation auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des verwendeten Thermoplastmaterials erwärmt und unter Krafteinwirkung derart verformt, dass die hergestellte Form zumindest im Wesentlichen der eines herzustellenden Bauteils, insbesondere eines Karosserieteils, entspricht.
Vorteilhafterweise ist die im Halbzeug erzeugte Spannung eine Zugspannung, wobei die die Spannung erzeugenden Kräfte auch bei bereits erfolgter Umformung des Halbzeuges im Wesentlichen tangential an den Halbzeugbereichen, an denen sie angreifen, ziehen und somit das Halbzeug auch bei bereits erfolgter Umformung zumindest in der Ebene des jeweiligen Kraftangriffsbereiches unter Spannung halten. Das heißt, dass die Kräfte auch dann noch wenigstens zeitweilig wirken sollen, wenn der plastische Verformungszustand noch nicht erreicht ist, sowie, wenn er bereits erreicht wurde. Der Vorteil dieser Verfahrensausgestaltung liegt darin, dass selbst in einem teilweise umgeformten Zustand des Halbzeuges Zugkräfte wirken, die zur Spannung und/oder Glättung des noch weichen beziehungsweise flexiblen Halbzeuges führen. Die Einleitung der tangential wirkenden Kräfte bei bereits umgeformtem Halbzeug wird durch einen Klappmechanismus realisiert, der zur Fixierung des Halbzeuges dient und beim Zufahren der Presselemente einen konstanten Abstand der gekrümmten Halbzeugunterseite zur Werkzeugoberfläche gewährleistet. Hiermit wird verhindert, dass bei gekrümmten Bauteiloberflächen Teilbereiche des Halbzeuges frühzeitig mit der Werkzeugoberfläche in Kontakt kommen, frühzeitig erstarren und somit für eine weitere Drapierung nicht mehr fließfähig sind.
In besonders bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das plastisch verformbare Material ein Thermoplast ist, wobei zwecks Umformung eine Erwärmung des Halbzeuges über die Erweichungstemperatur des Thermoplastes im Presswerkzeug bei gleichzeitiger Aufbringung von Pressenkräften zur Realisierung der Umformung durchgeführt wird. Die Erwärmung des plastisch verformbaren Materials erfolgt dabei bevorzugt über die Aufheizung von Presselementen, die direkt das Halbzeug kontaktieren oder die in unmittelbarer Nähe des Halbzeuges angeordnet sind. Durch Übertragung der Wärme der Presselemente wird das plastisch verformbare Material im Presswerkzeug ebenfalls erwärmt. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Erwärmung des Halbzeuges in der Presse bei gleichzeitiger Pressdruckerhöhung abläuft. Das heißt, dass ein weiterer Gegenstand der Erfindung das Erwärmen des Halbzeuges in der Presse bei gleichzeitiger Umformung sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrensaspekts geeignete Vorrichtung ist. Es lässt sich somit als ein innovatives Werkzeugkonzept eine Induktionsheizung in den Werkzeughälften beziehungsweise den Presselementen zur Durchführung des Verfahrens verwenden. Es besteht hiermit die Möglichkeit, das Werkzeug in einer sehr kurzen Zeit auf Erweichungstemperaturniveau des umzuformenden Halbzeuges aufzuheizen. Nach Einlegen des Halbzeuges, Schließen des Werkzeuges und Aufbringung eines definierten Pressdruckes wird das komplette Werkzeug innerhalb kurzer Zeit auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des verwendeten Thermoplastes erwärmt und gleichzeitig der Pressdruck erhöht. Hierdurch können insbesondere Kanten- und Eckbereiche sowie die Oberfläche durch die Fließbewegung des Matrixmaterials gut ausgeformt werden. Außerdem wird durch diesen Erfindungsaspekt ermöglicht, insbesondere bei Einsatz einer Induktionsheizung an der Oberfläche der Presselemente, nur noch bestimmte Werkzeugbereiche und demzufolge bestimmte Halbzeugbereiche zu erwärmen, was zu einer erheblichen Energie- sowie Fertigungszeiteinsparung bei der Herstellung der Kunststoffbauteile führt.
Bei Einsatz eines Polycarbonats als plastisch verformbares Material ist vorgesehen, dass dieses in einem Temperaturbereich von 553 K bis 623 K und einem Druck von 50 bar verformt wird. Bei Einsatz eines hochtemperaturbeständigen Polycarbonats lässt sich die Temperatur bis auf 633 K bei gleichem Druck erhöhen.
Bei Verwendung eines Polyetherimids als plastisch verformbares Material ist vorgesehen, dass dieses auf eine Temperatur von 573 K bis 643 K, ebenfalls bei einem Pressdruck von 50 bar, umgeformt wird.
Bei einem Polyetherimid mit einem Anteil Spodumen von 25% des Volumens des herzustellenden Bauteiles sollte ebenfalls eine Umformtemperatur von 573 K bis 643 K eingehalten werden, bei Aufbringung von 200 bar Pressdruck. Dasselbe betrifft die Verarbeitung eines Polyetherimids mit 25 Volumen-% LiAlSi₂O₆ (dem so genannten „Spodumen”) und 7 Volumen-% Siliziumdioxid (dem so genannten „Aerosil”).
Bei Umformung des Halbzeuges und gleichzeitiger Erwärmung kann des Weiteren vorgesehen sein, dass die Umformung unter Zugabe von Thermoplast-Material erfolgt. Das heißt, dass das Thermoplast-Material in weicher oder flüssiger Form in die Werkzeug-Kavität zugegeben beziehungsweise eingespeist wird. Das heißt, dass in die Pressenkavität erweichtes oder flüssiges Matrixmaterial beim Pressvorgang zugegeben wird, wobei es sich dabei vorzugsweise um das gleiche Material wie das des verwendeten Thermoplastes des Werkstoffes oder ein kompatibles Material handelt, welches eine möglichst homogene Struktur mit dem Thermoplast-Material ausbildet. Die zu erzeugende Bauteiloberfläche kann gegebenenfalls aufgrund der Erwärmung und unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der in dem Verbundwerkstoff vorhandenen Materialien unerwünschte Welligkeiten oder Rauigkeiten aufweisen. Durch die Einspeisung von zusätzlichem Matrixmaterial wird eine deutlichere Verbesserung der Oberfläche des herzustellenden Bauteiles erreicht. Die Einspeisung zusätzlichen Thermoplast-Materials kann zum Beispiel mit Hilfe einer Spritzgussmaschine, die an das Presswerkzeug gekoppelt ist, realisiert werden. Dies geschieht bevorzugt zu dem Zeitpunkt, zu dem der Halbzeugverbund auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des verwendeten Thermoplast-Materials erwärmt ist.
Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erfindungsgemäß eine Spanneinrichtung als Positionierungs- und/oder Transporthilfsmittel zur Verfügung gestellt, welche insbesondere zur Fixierung und Spannungsbeaufschlagung von ebenen, flächigen Halbzeugen bei deren Umformung dienen kann. Die Spanneinrichtung umfasst wenigstens eine Greifeinheit zum mechanischen kraft- und/oder formschlüssigen Greifen des Halbzeuges und eine Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft. Erfindungsgemäß ist die Spanneinrichtung derart ausgestaltet, dass mittels der Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft die Greifbewegung und/oder Greifkrafteinleitung und bei erfolgter Greifung eine Zugkraftbeaufschlagung in das Halbzeug realisierbar ist.
Die Zugkraftbeaufschlagung erfolgt dabei bevorzugt in der Ebene des Halbzeuges, wodurch eine Zugspannung im Halbzeug erzeugt wird. Durch die Greiffunktion der Spanneinrichtung lässt sich diese auch als Transport-Hilfsmittel einsetzen. Die von der Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft bewirkte Kraft dient somit zur Greifung des Halbzeuges und zur Zugkraftbeaufschlagung des Halbzeuges. Das heißt, dass die Kraft für die Realisierung der Greifbewegung und/oder der Greifkrafteinleitung dieselbe Kraft ist, die tangential am Halbzeug angreift und dieses unter Zugspannung setzt. In einer einfachen Ausgestaltung kann die Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft eine Feder, insbesondere eine Zugfeder, sein.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Spanneinrichtung wenigstens eine erste Betätigungseinheit, mit der eine der Kraft der Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft entgegengesetzt orientierte Kraft erzeugbar ist. Diese erste Betätigungseinheit dient somit der Aufhebung der Kraft, die von der Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft aufgebracht wird.
Die Greifeinheit der Spanneinrichtung ist dann sinnvoll ausgebildet, wenn sie im Wesentlichen aus einer zwei miteinander durch ein Gelenk verbundene Greifhebel umfassenden Greifzange gebildet ist, wobei jeder Greifhebel einen Kraftarm und einen Greifarm aufweist, und die beiden Kraftarme durch einen Kniehebel miteinander verbunden sind. Die Kraftarme sind dabei die Hebelbestandteile, in die eine äußere Kraft eingeleitet werden kann, wie hier zum Beispiel durch den Kniehebel. Die Greifarme, beziehungsweise der durch die Greifarme realisierte Zangenkopf, ist der Bereich der Greifeinheit, der an einem Halbzeug zwecks Greifung zur Anlage und/oder zum Eingriff kommt. Die Greifhebel sind am Gelenk zwischen Kraftarm und Greifarm abgewinkelt. Das heißt, dass sich die Greifhebel nicht kreuzen, sondern nur im Gelenk einen Punkt aufweisen, in dem sie sich überlagern.
Zur Positionierung der Greifeinheit umfasst die Spanneinrichtung vorteilhafterweise je Greifeinheit ein relativ zu dieser Greifeinheit bewegliches Führungsrohr. Daneben kann die Spanneinrichtung eine zweite Betätigungseinheit aufweisen, die zur Positionierung des Greifers dient, insbesondere durch Verschiebung des Führungsrohres. Zwischen dem Gelenk der Greifhebel und dem Kniehebelgelenk ist vorteilhafterweise eine Zugfeder angeordnet, die somit bei Ausführung der Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft eine zweite Feder im Greifsystem darstellt. Die Zugkraft der Feder zwischen dem Gelenk und dem Kniehebelgelenk bewirkt eine Öffnung des Greifers und ist somit in ihrer Wirkung entgegen der Kraft der Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft gerichtet.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die erfindungsgemäße Spanneinrichtung bevorzugt mit mehreren Greifeinheiten ausgestaltet, so dass über diesen komplexen Federmechanismus das Halbzeug gespannt und unter Verformung und Zugspannung gehalten werden kann, so dass keine Faltenbildung bei Drapierung des Halbzeuges auf Presselemente erfolgt. Ein automatisches Greifen und Spannen ist dabei über den Kniehebelmechanismus in Kombination mit pneumatisch betreibbaren Betätigungseinheiten möglich.
Das erfindungsgemäße Handhabungssystem ist im gesamten Verarbeitungsprozess zwischen der Trocknung der Halbzeuge vor der Umformung sowie während der Umformung und in nach der Umformung erfolgenden Fertigungsschritten einsetzbar.
Ein weiterer Aspekt zur vorliegenden Erfindung ist ein Klapprahmen zur Fixierung eines Halbzeuges im vom Rahmen umgebenden Bereich und in der Ebene des Rahmens mittels Halteelementen, wobei der Rahmen unter Beibehaltung der Fixierung des Halbzeuges im vom Rahmen umgebenden Bereich derart verformbar ist, dass er sich dreidimensional erstreckt. Zu diesem Zweck weist der erfindungsgemäße Klapprahmen Gelenke und/oder biegsame Abschnitte auf. Damit wird ermöglicht, eine Umformung des im Rahmen aufgenommenen beziehungsweise aufgespannten Halbzeuges schon vor Kontakt des Halbzeuges mit Presselementen im Wesentlichen im Profil der komplementär ausgeführten Presselemente zu erzeugen und somit eine frühe Kontaktierung von Halbzeugbereichen mit Presselement-Bereichen und damit ein Einfrieren dieser Halbzeug-Bereiche zu verhindern.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst der erfindungsgemäße Klapprahmen als Halteelement mindestens eine der erfindungsgemäßen Spanneinrichtungen als Positionierungs- und/oder Transporthilfsmittel, insbesondere zur Fixierung und Spannungsbeaufschlagung von ebenen, flächigen Halbzeugen bei deren Umformung. Es lässt sich somit mittels der Spanneinrichtungen am beziehungsweise im Klapprahmen ein im Wesentlichen ebenes, flächiges Halbzeug zur Herstellung eines profilierten Bauteiles im vom Rahmen umgebenden Bereich aufspannen. Das heißt, dass bevorzugt mehrere Spanneinrichtungen am Klapprahmen angeordnet sind, die alle ihre Zugkräfte in das Halbzeug eintragen und damit das Halbzeug im Rahmen aufspannen. Die Zugkräfte zur Aufbringung der Zugspannungen wirken dabei bevorzugt in der Ebene des Halbzeuges.
Vorteilhafterweise sollte der Klapprahmen dabei derart ausgestaltet sein, dass er sich im belastungsfreien Zustand in einer geraden Ebene erstreckt. Das heißt, in einem Zustand, in dem der Klapprahmen nicht durch äußere Kräfte in dreidimensionale Verformung gezwungen wird, erstreckt sich der Klapprahmen lediglich zweidimensional. Dabei werden die durch die Spanneinrichtungen bewirkten Reaktionskräfte auf den Klapprahmen nicht als äußere, eine Rahmenformveränderung bewirkende Kräfte verstanden. Durch Rückstellelemente, wie zum Beispiel Federn, kann der Rahmen nach dreidimensionaler Verformung wieder in einen ebenen Zustand zurück verformt werden. Dabei sollten bevorzugt gegenüber den Randzonen des Halbzeuges, in denen bei Halbzeug-Umformung mehr Faltenwurf zu erwarten ist als in anderen Randzonen, mehr Spanneinrichtungen angeordnet werden als gegenüber den anderen Randzonen. Durch den Klappmechanismus des Klapprahmens wird beim Zufahren der Presselemente beziehungsweise der Pressenstempel ein konstanter Abstand der gekrümmten Halbzeugunterseite beziehungsweise auch Halbzeugoberseite zu Presselementoberflächen gewährleistet. Hierdurch wird verhindert, dass bei gekrümmten Halbzeugoberflächen Teilbereiche des Halbzeuges frühzeitig mit der Presselementoberfläche in Kontakt kommen und somit einfrieren und für eine weitere Drapierung nicht mehr fließfähig sind.
Die Erfindung sinnvoll ergänzend wird außerdem ein Presswerkzeug mit Presselementen zur Einleitung von Umformkräften in ein Halbzeug zur Verfügung gestellt, wobei die einander gegenüberliegend angeordneten Presselemente zumindest bereichsweise mit jeweils komplementärem Profil ausgestaltet sind und das Presswerkzeug den erfindungsgemäßen Klapprahmen umfasst. Erfindungsgemäß weist das Presswerkzeug eine Einrichtung zur Definition der zu erzeugenden dreidimensionalen Form des Klapprahmens auf. Diese Einrichtung zur Definition der zu erzeugenden dreidimensionalen Form des Klapprahmens ermöglicht eine Verformung des zunächst in einer Ebene sich erstreckenden Rahmens in eine dreidimensionale Form, die dem Profil der profilierten Presselemente, die insbesondere Ober- und Unterteile beziehungsweise Gesenke einer Presse sein können, angepasst ist. Diese Einrichtung zur Definition der zu erzeugenden dreidimensionalen Form können Kolben-Zylinder-Einheiten sein, an denen der Rahmen angeschlossen ist und die insbesondere automatisiert derart angesteuert werden, dass der Rahmen entsprechend des herzustellenden Profils formverändert wird. Alternativ kann eine solche Einrichtung zur Definition der zu erzeugenden Form des Klapprahmens lediglich durch ein oder mehrere Auflageelemente gebildet sein, die gegebenenfalls auch einstellbar sein können, wobei sie die Höhe beziehungsweise Position einzelner Rahmenabschnitte bei ihrer Auflage auf den Auflageelementen bestimmen und somit die Verformung des Rahmens definieren.
Sinnvoll ausgestaltet ist das erfindungsgemäße Presswerkzeug dann, wenn es wenigstens ein Kraftübertragungselement an wenigstens einem der Presselemente zur Beaufschlagung des Klapprahmens mit einer ihn verformenden Kraft umfasst. Dadurch kann insbesondere durch Bewegung mindestens eines Presselementes der Rahmen so weit verformt werden, bis er an Anschlägen, die die dreidimensionale Form definieren, anliegt. Somit kann eine derartige Verformung des Rahmens und des darin aufgespannten Halbzeuges erreicht werden, dass dieses bei weiterer Bewegung der Presselemente zwecks Verformung des Halbzeuges im Wesentlichen ganzflächig an der profilierten Oberfläche der Presselemente zur Anlage kommt und somit ein Einfrieren von Halbzeug-Bereichen, die längere Zeit mit einem Presselement in mechanischem Kontakt stehen als die Umformungszeit dieses Bereiches beträgt, verhindert wird.
Außerdem kann das erfindungsgemäße Presswerkzeug derart ausgestaltet sein, dass es das Halbzeug während der Umformung erwärmen kann und/oder zusätzlich Thermoplast-Material in flüssiger Form beim Pressen aufnehmen kann.
Zur Ausbildung einer sehr glatten Bauteiloberfläche können die Presselemente eine verchromte und/oder polierte Oberfläche aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, welches ein Bauteil aufweist, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt ist. Das heißt, dass die vorliegende Erfindung auch auf ein Bauteil sowie auf ein dieses Bauteil umfassendes Kraftfahrzeug gerichtet ist, wobei das Bauteil derart hergestellt wurde, dass es vor seiner Umformung im Wesentlichen derart vorverformt und/oder vorpositioniert wurde, dass es im Wesentlichen bei Kontaktierung eines Presselementes mit einer größeren Fläche zur Anlage kommt, als es im ebenen Zustand bei Kontaktierung des Presselementes anliegen würde.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen dabei:
1 einen schematischen Verfahrensablauf bei der Umformung des Halbzeuges mit erfindungsgemäßen Spanneinrichtungen, Klapprahmen und Presswerkzeugen;
2 eine Greifeinrichtung einer erfindungsgemäßen Spanneinrichtung im geöffneten und geschlossenen Zustand;
3 bis 5 Greifeinrichtungen bei deren Einzug in ein Führungsrohr;
6 eine schematische Darstellung einer Spanneinrichtung im geschlossenen und positionierten Zustand;
7 eine Spanneinrichtung mit Betätigungseinheiten;
8 eine Spanneinrichtung bei Betätigung der ersten Betätigungseinheit zur Öffnung der Greifeinheit;
9 und 10 ein Heranführen der geöffneten Greifereinheit an das Halbzeug;
11 eine Zuführung der Greifeinheit durch Betätigung der zweiten Betätigungseinheit;
12 ein Klemmen beziehungsweise Greifen des Halbzeuges;
13 ein Schließen der Greifeinheit durch Betätigung der ersten Betätigungseinheit;
14 ein Zurückfahren des Führungsrohres;
15 eine Betätigung der zweiten Betätigungseinheit;
16 eine Spanneinrichtung während des Transportes des Halbzeuges;
17 eine Greifeinrichtung in einem zum Lösen vom Halbzeug bereiten Zustand;
18 eine Öffnung der Greifeinheit;
19 ein Schließen der Greifeinheit und Positionierung in den Ausgangszustand und
20 ein Presswerkzeug in Explosionsdarstellung.
In 1 ist das Ablaufschema zur Herstellung eines umgeformten Bauteiles 10 dargestellt. Es wird dazu zunächst ein Halbzeug 11 zur Verfügung gestellt und dieses in einen erfindungsgemäßen Klapprahmen 60, der Spanneinrichtungen 20 mit Greifeinheiten 30 umfasst, eingespannt. Es ist ersichtlich, dass sich der Klapprahmen 60 im Wesentlichen in einer Ebene erstreckt. Durch ein Handhabungssystem beziehungsweise durch eine Transporteinrichtung oder, wie dargestellt, durch einen Roboter 90 lässt sich der Klapprahmen 60 mit dem darin aufgespannten Halbzeug 11 positionieren beziehungsweise transportieren. Zwecks Erwärmung und Trocknung wird das Halbzeug 11 in eine Trocknerstation 100 eingelegt. Anschließend wird es im im Rahmen 60 aufgespannten Zustand zwischen die Werkzeughälften beziehungsweise Presselemente 80 eines erfindungsgemäßen Presswerkzeuges 70 positioniert. In 1 ist dabei aus Gründen der Übersichtlichkeit das Halbzeug 11 im im Presswerkzeug 70 positionierten Zustand im Klapprahmen 60 nicht dargestellt. Es ist allerdings ersichtlich, dass sich der Klapprahmen 60 nicht mehr in einer Ebene erstreckt, sondern bereits dreidimensional verformt ist. Dabei ist er auf eine Einrichtung zur Formdefinition 83, die wie dargestellt Kolben-Zylinder-Einheiten 84 sein können, aufgelegt. Zur Verformung des Klapprahmens 60 in den dreidimensionalen Zustand ist ein Kraftübertragungselement 85 am Oberteil 81 angeordnet, wobei dieses Kraftübertragungselement 85 zur Realisierung unterschiedlicher Verformungsmaße längenverstellbar sein kann. Die Erfindung ist dabei nicht auf die Anwendung des Kraftübertragungselementes 85 sowie der Kolben-Zylinder-Einheiten 84 eingeschränkt.
Nach Zufahren beziehungsweise Schließen, das heißt Aufeinanderpressen des Oberteils 81 und des Unterteils 82 erfolgt die Umformung des Halbzeuges 11, so dass es als im Wesentlichen fertiges Bauteil 10 vorliegt.
Der Vorteil dieses Herstellungsverfahrens liegt darin, dass durch die dreidimensionale Verformung des Klapprahmens 60 und des darin aufgespannten Halbzeuges 11 das Halbzeug 11 der Form der Presselemente 80 derart weitgehend angepasst werden kann, dass ein Einfrieren durch frühzeitig kontaktierender Halbzeugbereiche beim Umformungsprozess verhindert werden kann.
Im Folgenden wird auf die Konstruktion der erfindungsgemäßen Spanneinrichtung 20 sowie des erfindungsgemäßen Presswerkzeuges 70 eingegangen.
2 zeigt schematisch eine Greifeinheit 30 im geöffneten und geschlossenem Zustand. Die Greifeinheit 30 umfasst zwei Greifhebel 32, die an einem Gelenk 31 miteinander verbunden sind. Auf der einen Seite des Gelenkes 31 ist ein Kniehebel 36 angeordnet, und auf der diesem Kniehebel 36 gegenüberliegenden Seite ist eine Greifzange 33 ausgebildet. Die Greifzange 33 wird durch die beiden Greifarme 35 ausgebildet. Der Kniehebel 36 wirkt auf die beiden Kraftarme 34. Zwischen dem Gelenk des Kniehebels 36 und dem Gelenk 31 der Greifeinheit 30 ist eine Zugfeder 37 angeordnet. Auf der der Zugfeder 37 gegenüberliegenden Seite ist ein Zugseil 38 zur Ausübung einer Zugkraft 39 angeordnet. Bei Ausübung der Zugkraft 39, wie in der unteren Darstellung von 2 gezeigt, wird die Zugfeder 37 gespannt und eine Klemmkraft 40 durch die Greifarme 35 auf das Halbzeug 11 ausgeübt, so dass dieses kraft- und/oder formschlüssig gehalten wird.
In 3 ist gezeigt, dass durch Ziehen am Zugseil 38 die Greifeinheit 30 in ein Führungsrohr 53 eingezogen werden kann, so dass, wie in 4 dargestellt, die Greifeinheit 30 im Wesentlichen vom Führungsrohr 53 radial umschlossen ist.
In 5 ist diese Position der Greifeinheit 30 im Führungsrohr 53 in Schnittdarstellung gezeigt.
In 6 ist die erfindungsgemäße Spanneinrichtung 20, die die Greifeinheit 30 umfasst, dargestellt. Die Spanneinrichtung 20 umfasst eine Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft 50, die wie hier dargestellt ebenfalls eine Zugfeder sein kann. An dieser Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft 50 ist ein erster Mitnehmer 52 angeschlossen, der wiederum mit dem Zugseil 38 verbunden ist. Dieses Zugseil 38 ist durch eine Umlenkrolle zum Gelenk des Kniehebels 36 geführt. Der Kniehebel 36 ruht dabei an einem Anschlag 57. Durch die Zugwirkung der Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft 50 befindet sich der Kniehebel 36 im gespreiztem Zustand, so dass die Greifzange 33 geschlossen ist. An der Greifzange 33 ist außerdem ein zweiter Mitnehmer 55 angeordnet.
Wie in 7 dargestellt, umfasst die erfindungsgemäße Spanneinrichtung 20 des Weiteren zwei Betätigungseinheiten, nämlich eine erste Betätigungseinheit 51 zum Ansetzen am ersten Mitnehmer 52 und eine zweite Betätigungseinheit 54 zum Ansetzen am zweiten Mitnehmer 55.
Wie in 8 dargestellt, wird bei Betätigung der ersten Betätigungseinheit 51 der erste Mitnehmer 52 derart verschoben, dass die als Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft 50 angeordnete Feder gespannt wird, was zur Folge hat, dass die Zugkraft 39 im Zugseil 38 vermindert wird, wodurch die Kraft der Zugfeder 37 den Kniehebel 36 in eine geknickte Position bringt, so dass die Greifzange 33 geöffnet wird. Es ist ersichtlich, dass in diesem Zustand die Greifzange 33 geeignet ist, das Halbzeug 11 zu greifen.
Wie in 9 dargestellt, lässt sich die somit geöffnete Greifzange 33 auf ein Halbzeug 11 durch Bewegung des Führungsrohres 53 aufschieben.
In 10 ist die Greifeinheit 30 im auf das Halbzeug 11 aufgeschobenen Zustand in Schnittdarstellung gezeigt.
11 stellt den Vorgang der Zuführung der Greifeinheit 30 an beziehungsweise auf das Halbzeug 11 dar, bei dem die zweite Betätigungseinheit 54 durch Angriff am zweiten Mitnehmer 55 verschoben wird. Der Verschiebungsweg ist dabei derart ausgelegt, dass noch keine Zugspannung in das Zugseil 38 eingeleitet wird bei Aufrechterhaltung der Betätigung der ersten Betätigungseinheit 51 und der damit verbundenen Lockerung des Zugseils 38.
In 12 ist dargestellt, dass durch Einleitung einer Zugkraft 39 in das Zugseil 38 die Greifeinheit 30 geschlossen wird, so dass das Halbzeug 11 in der Greifzange 33 eingeklemmt wird.
13 zeigt die Ursache für die Klemmung, die darin liegt, dass die erste Betätigungseinheit 51 derart verfahren wird, dass sie außer Eingriff mit dem ersten Mitnehmer 52 gelangt, so dass die Kraft der Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft 50 das Zugseil 38 strafft, wodurch der Kniehebel 36 einen geringeren Winkel aufweist und somit das Halbzeug 11 zwischen den Greifarmen 35 eingeklemmt wird.
In 14 ist dargestellt, dass in diesem Zustand des Greifens beziehungsweise Klemmens des Halbzeugs 11 das Führungsrohr 53 von der Greifeinheit 30 entfernt werden kann. Dasselbe betrifft die zweite Betätigungseinheit 54, die vom zweiten Mitnehmer 55 entfernt werden kann, wie in 15 dargestellt.
Das Halbzeug 11 kann nun, wie in 16 dargestellt, im gegriffenen Zustand bei Bewegung der Spanneinrichtung 20 zusammen mit der Greifeinheit 30 transponiert beziehungsweise positioniert werden. Das heißt, dass in dem in 16 gezeigten Zustand eine Handhabung des Halbzeuges 11 während unterschiedlicher Bearbeitungen, wie zum Beispiel Erwärmung, Trocknung und Umformung erfolgen kann. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Spanneinrichtung 20 am Klapprahmen 60 angeordnet ist und der Klapprahmen 60 bei Umformung des Halbzeuges 11 ebenfalls in einen dreidimensionalen Zustand verformt wird und somit durch konstante Einleitung einer Kraft, die durch die Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft 50 aufgebracht wird, in einem gestrafften Zustand gehalten wird.
Bei gewünschter Lösung der Greifeinheit 30 vom Halbzeug 11, wie in 17 dargestellt, zum Beispiel nach erfolgter Umformung, wird die Zugkraft im Zugseil 38 gemindert, so dass die Greifeinheit 30 unter Wirkung der Kraft der Zugfeder 37 geöffnet wird.
Um dies zu ermöglichen, wird wie in 18 dargestellt, erneut die erste Betätigungseinheit 51 betätigt, so dass sie zwecks Krafteinleitung auf den ersten Mitnehmer 52 entgegen der Kraft der Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft 50 zur Lockerung des Zugseils 38 verfährt, wodurch durch die Zugwirkung der Zugfeder 37 die Greifzange 33 geöffnet wird.
Nach Ablage des Halbzeuges 11, welches nun als fertiges Bauteil 10 vorliegen kann, lässt sich bei erfolgter Betätigung der ersten Betätigungseinheit 51 dahingehend, dass diese außer Kontakt mit dem ersten Mitnehmer 52 gefahren wird, die Greifeinheit 30 durch Einwirkung der Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft 50 in ihre Ausgangsposition verfahren, so dass sie, wie in 19 und 6 dargestellt, zum erneuten Greifen und Transportieren beziehungsweise Positionieren eines Halbzeuges 11 bereit ist.
Das erfindungsgemäße Presswerkzeug 70 kann derart ausgestaltet sein, dass – wie in 20 dargestellt – die obere Werkzeughälfte 80 und die untere Werkzeughälfte 82 jeweils mit Induktionsplatten 86, Induktionsstiften 87 sowie Kupferstäben 88 verbunden sind, wodurch gewährleistet ist, dass das Halbzeug auch während der Umformung erwärmt werden kann.
Das in 20 dargestellte Presswerkzeug 70 ist ein innovatives Werkzeugkonzept auf Basis der Induktionsheizung für Werkzeughälften. Es besteht hiermit die Möglichkeit, das Presswerkzeug in sehr kurzer Zeit auf die Erweichungstemperatur des Materials des Halbzeuges aufzuheizen. Nach Einlegen des Halbzeuges, Schließen des Presswerkzeuges und Aufbringung eines definierten Pressdruckes wird das komplette Presswerkzeug schnell auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des verwendeten Thermoplastes erwärmt und gleichzeitig der Pressdruck erhöht. Hiermit können insbesondere Kanten- und Eckbereiche sowie die Oberfläche durch die Fließbewegung der Matrix gut ausgeformt werden. Das erfindungsgemäße Presswerkzeug kann durch eine Spritzgusseinheit ausgestaltet sein, die an das Presswerkzeug beziehungsweise deren Kavität angekoppelt ist, um zusätzliches schmelzflüssiges gleiches oder kompatibles Matrixmaterial in die Kavität einspritzen zu können. Dies geschieht bevorzugt zu dem Zeitpunkt, an dem der Halbzeugverbund beziehungsweise das Halbzeug auf eine Temperatur oberhalb seiner Erweichungstemperatur erwärmt ist. Durch das nachträgliche Einspritzen von Thermoplast-Material, dem so genannten Spritzprägen, lässt sich eine deutliche Verbesserung der Oberflächenqualität des Halbzeuges beziehungsweise des zu erzeugenden Bauteiles bewirken.
Das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere bei Verwendung des erfindungsgemäßen Klapprahmens und der erfindungsgemäßen Spanneinrichtung, ermöglicht es, das Halbzeug an definierten Punkten zu spannen und bei Positionierung des Klapprahmens das Halbzeug unter Beibehaltung der Spannung im Halbzeug zu positionieren. Außerdem wird insbesondere durch die Verwendung des Führungsrohres ein automatisches Zuführen und Lösen der Greifeinheit 30 ermöglicht. Die Spanneinrichtung kann durch ihre flexible Ausgestaltung und durch die mögliche Relativbewegung zwischen Führungsrohr 53 und Greifeinheit 30 bei Prozesstemperaturen von 573 K bis 673 K angewandt werden. Die Zugkraft 39 im Zugseil 38 kann je nach Verwendung einer Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft 50 variabel ausgestaltet sein, wobei vorzugsweise Zugkräfte von weniger als 20 N aufgebracht werden sollten. Die durch die Umwandlung der Zugkraft 39 bewirkte Klemmkraft auf beziehungsweise in das Halbzeug sollte bei ungefähr 100 N liegen. Die erfindungsgemäße Spanneinrichtung kommt ohne Anschlüsse für Arbeitsmedien wie zum Beispiel Luft oder Elektrik im Spannsystem aus. Dies begünstigt im Wesentlichen den Einsatz unter Hochtemperaturbedingungen.
Durch die erfindungsgemäße Spanneinrichtung lässt sich das Halbzeug 11 während des Umformprozesses unter einer Zugspannung halten, wodurch es im Wesentlichen faltenfrei an den Presselementen zur Anlage kommt. Außerdem lässt es sich in einen verformbaren Klapprahmen auch bei Umformung des Klapprahmens an definierter Position fixieren. Dadurch lässt sich erreichen, dass durch Umformung des Klapprahmens 60 ebenfalls eine Umformung des Halbzeuges 11 realisiert wird, so dass das Halbzeug 11 in seiner Form im Wesentlichen der Form der Presselemente angepasst wird und somit eine sehr frühzeitige und ein Einfrieren bedingende Kontaktierung von Presselementen am Halbzeug verhindert werden kann.
Folien mit textilen Verstärkungslagen, die somit einen so genannten Faser-Thermoplast-Schichtverbund darstellen, die gegebenenfalls nanopartikelverstärkt sein können, weisen im Verbund eine geringe thermische Schwindung bei gleichzeitiger Gewährleistung von einer hohen mechanischen Tragfähigkeit auf, so dass sie bevorzugt für automobile Außenhautanwendungen in Frage kommen. Die Weiterverarbeitung solcher verstärkter Folienmaterialien erfolgt nach vorheriger Erwärmung auf eine spezielle, auf die Schicht-Materialien abgestimmte Temperatur mittels schnell schließender Pressen, die eine Formgebung des Halbzeuges ermöglichen. Dabei ist insbesondere bei Verarbeitung von nano- und/oder mikropartikelverstärkten Thermoplastfolien deren notwendigen Verarbeitungsparameter, wie zum Beispiel Verarbeitungstemperatur, zu beachten. Im anschließenden Abkühlungsvorgang wird der Verbund konsolidiert und anschließend ein fertiges Bauteil aus den Halbzeugen hergestellt.
Die hergestellten Schichtverbund-Halbzeuge müssen vor der Weiterverarbeitung getrocknet und anschließend dann auf die abgewickelte Bauteilkontur zugeschnitten werden. Die derart vorkonditionierten Halbzeuge sind vor der presstechnischen Weiterverarbeitung in einer Vorheizstation auf die matrixspezifische Verarbeitungstemperatur zu erwärmen. Bereits bei der Erwärmung lässt sich die erfindungsgemäße Spanneinrichtung als Handhabungssystem einsetzen.
Nach einer vordefinierten Verweilzeit des Verbundwerkstoffes beziehungsweise Halbzeuges in der Heizstation wird der weiche Verbund in das Presswerkzeug transferiert und dort warm umgeformt. Hierbei ist auf einen schnellen Transfer zwischen Heizstation und Presswerkzeug zu achten. Es empfiehlt sich, zum Transport einen – wie in 1 dargestellten – Roboter zu verwenden. Auch bei Verwendung des erfindungsgemäßen Klapprahmens beziehungsweise der erfindungsgemäßen Spanneinrichtung sollte, um ein Einfrieren des warmen Halbzeuges im Presswerkzeug zu verhindern, das Presswerkzeug in sehr kurzer Zeit, bevorzugt < 5 s, geschlossen werden. Die Presszeit kann bis zu 400 s bei einem Pressdruck von bis zu 300 bar betragen. Zur Erzeugung von Bauteilen mit bester Oberflächenqualität empfiehlt es sich, polierte Presselementoberflächen einzusetzen.

10: Bauteil
11: Halbzeug
12: Kraftangriffsbereich
20: Spanneinrichtung
30: Greifeinheit
31: Gelenk
32: Greifhebel
33: Greifzange
34: Kraftarm
35: Greifarm
36: Kniehebel
37: Zugfeder
38: Zugseil
39: Zugkraft
40: Klemmkraft
50: Einrichtung zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft
51: erste Betätigungseinheit
52: erster Mitnehmer
53: Führungsrohr
54: zweite Betätigungseinheit
55: zweiter Mitnehmer
56: Drahtseil
57: Anschlag
58: Führungsstange
60: Klapprahmen
70: Presswerkzeug
80: Werkzeughälfte, Presselement
81: Oberteil
82: Unterteil
83: Einrichtung zur Formdefinition
84: Kolben-Zylinder-Einheit
85: Kraftübertragungselement
86: Induktionsplatte
87: Induktionsstift
88: Kupferstab
90: Transporteinrichtung, Roboter
100: Trocknerstation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10000603 A1 [0006]
- EP 1944103 A2 [0007]
- DE 102004032778 A1 [0008]
- DE 3620954 C2 [0009, 0009]
- DE 19604611 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles (10), insbesondere eines Karosserieteiles, bei dem ein im Wesentlichen ebenes, flächiges Halbzeug (11) zur Herstellung des Bauteils (10) zumindest bereichsweise ein plastisch verformbares Material aufweist, wobei das Verfahren den Verfahrensschritt Warmumformen umfasst, bei dem eine dreidimensionale Formgebung des Halbzeuges (11) mittels Aufeinanderpressen von Presselementen (80) mit komplementärem Profil eines Presswerkzeuges (70) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass vor der mechanischen Kontaktierung des Halbzeuges (11) mit einem Presselement (80) das Halbzeug (11) derart vorverformt und/oder vorpositioniert wird, so dass es im Wesentlichen bei Kontaktierung des Presselementes (80) an diesem mit einer größeren Fläche zur Anlage kommt, als es im ebenen Zustand bei Kontaktierung des Presselementes (80) anliegen würde.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (11) während des Umformprozesses zumindest zeitweise durch Einleitung von in der Ebene des Halbzeuges (11) wirkende Kräfte unter Spannung gehalten wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Halbzeug (11) erzeugte Spannung eine Zugspannung ist, wobei die die Spannung erzeugenden Kräfte auch bei bereits erfolgter Umformung des Halbzeuges (11) im Wesentlichen tangential an den Halbzeug-Bereichen (12), an denen sie angreifen, ziehen und somit das Halbzeug (11) auch bei bereits erfolgter Umformung zumindest in der Ebene des jeweiligen Kraftangriffsbereiches (12) unter Spannung gehalten wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das plastisch verformbare Material ein Thermoplast ist, wobei zwecks Umformung eine Erwärmung des Halbzeuges (11) über die Erweichungstemperatur des Thermoplastes im Presswerkzeug (70) bei gleichzeitiger Aufbringung von Pressenkräften zur Realisierung der Umformung durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung unter Zugabe von Thermoplast-Material erfolgt.
Spanneinrichtung (20) als Positionierungs- und/oder Transporthilfsmittel, insbesondere zur Fixierung und Spannungsbeaufschlagung von ebenen, flächigen Halbzeugen (11) bei deren Umformung, wobei die Spanneinrichtung (20) wenigstens eine Greifeinheit (30) zum mechanischen kraft- und/oder formschlüssigen Greifen des Halbzeuges (11) und eine Einrichtung (50) zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Einrichtung (50) zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft die Greifbewegung und/oder Greifkrafteinleitung und bei erfolgter Greifung eine Zugkraftbeaufschlagung in das Halbzeug (11) realisierbar ist.
Spanneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung (20) wenigstens eine erste Betätigungseinheit (51), mit der eine der Kraft der Einrichtung (50) zur Erzeugung einer ständig wirkenden Kraft entgegengesetzt orientierte Kraft erzeugbar ist, umfasst.
Spanneinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifeinheit (30) im Wesentlichen aus einer zwei miteinander durch ein Gelenk (31) verbundene Greifhebel (32) umfassende Greifzange (33) gebildet ist, wobei jeder Greifhebel (32) einen Kraftarm (34) und einen Greifarm (35) aufweist, und die beiden Kraftarme (34) durch ein Kniehebel (36) miteinander verbunden sind.
Spanneinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung (20) je Greifeinheit (30) ein relativ zu dieser Greifeinheit (30) bewegliches Führungsrohr (53) zwecks Positionierung der Greifeinheit (30) aufweist.
Klapprahmen (60) zur Fixierung eines Halbzeuges (11) im vom Rahmen umgebenden Bereich und in der Ebene des Rahmens mittels Halteelementen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (60) unter Beibehaltung der Fixierung des Halbzeuges (11) im vom Rahmen (60) umgebenden Bereich derart verformbar ist, dass er sich dreidimensional erstreckt.
Klapprahmen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Klapprahmen (60) als Halteelement mindestens eine der Spanneinrichtungen (20) nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9 als Positionierungs- und/oder Transporthilfsmittel, insbesondere zur Fixierung und Spannungsbeaufschlagung von ebenen, flächigen Halbzeugen (11) bei deren Umformung, umfasst, wobei mittels der Spanneinrichtung (20) ein im Wesentlichen ebenes, flächiges Halbzeug (11) zur Herstellung eines profilierten Bauteiles (10) im vom Rahmen (60) umgebenden Bereich aufspannbar oder aufgespannt ist.
Klapprahmen nach wenigstens einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Klapprahmen (60) derart ausgestaltet ist, dass er sich im belastungsfreien Zustand in einer geraden Ebene erstreckt.
Presswerkzeug (70) mit Presselementen (80) zur Einleitung von Umformkräften in ein Halbzeug (11), wobei die einander gegenüberliegend angeordneten Presselemente (80) mit jeweils komplementärem Profil ausgestaltet sind und das Presswerkzeug (70) den erfindungsgemäßen Klapprahmen (60) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 12 umfasst, und wobei das Presswerkzeug (70) eine Einrichtung (83) zur Definition der zu erzeugenden dreidimensionalen Form des Klapprahmens (60) aufweist.
Presswerkzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens ein Kraftübertragungselement an wenigstens einem der Presselemente (80) zur Beaufschlagung des Klapprahmens (60) mit einer ihn verformenden Kraft umfasst.
Kraftfahrzeug, welches ein Bauteil (10) aufweist, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt ist.