WO2018055147A1

WO2018055147A1 - Haltevorrichtung und verfahren zum halten eines flächigen werkstücks

Info

Publication number: WO2018055147A1
Application number: PCT/EP2017/074163
Authority: WO
Inventors: Marcus Stein; Ronald Claus; Andre Schult
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.; Technische Universität Dresden
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2018-03-29
Also published as: DE102016218467A1; EP3515685A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung und ein Verfahren zum Halten eines flächigen Werkstücks (1) mit mindestens zwei Klemmvorrichtungen (2) zum Klemmen jeweils eines äußeren Rands oder einer Oberfläche des flächigen Werkstücks (1) und einer Verfahrvorrichtung (3, 4, 5) zum Verfahren mindestens einer der Klemmvorrichtungen (2). Zumindest eine der Klemmvorrichtungen (2) weist mindestens ein elastisches Element (6) auf, das eingerichtet ist, bei einem Dehnen des flächigen Werkstücks (1) durch Verfahren der Verfahrvorrichtung (3, 4) gedehnt zu werden, so dass während des Dehnens das elastische Element (6) einen Berührungsbereich zwischen dem flächigen Werkstück (1) und dem elastischen Element (6) aufweist, in dem das elastische Element (6) das flächige Werkstück (1) zu Beginn des Dehnens berührt und an jeder bei Beginn des Dehnens berührten Position klemmt.

Description

Haltevorrichtung und Verfahren zum Halten eines flächigen Werkstücks

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung und ein Verfahren zum Halten eines flächigen Werkstücks.

Ein Charakterisieren von Deformations- und Verstreckungseigenschaften bahn- und plattenförmiger Halbzeuge (beispielsweise Kunststofffolien mit Mono- oder Mehrlagenaufbau und Verbundwerkstoffe) ist grundlegend für eine empirische Formteil- und Prozessauslegung und für ein Modellieren von Materialverhalten für Simulationsanwendungen. Typische Prozesse, bei denen hohe Streckgrade durch eine Kombination von Materialtemperaturen im Umformtemperaturbereich und ein Aufbringen von mechanischen Umformkräften erzielt werden, sind Thermoform- und Streckblasanwendungen zum Herstellen dreidimensionaler Formkörper sowie Folienreckprozesse. Die hierbei herstellbaren orientierten Folien zeigen verbesserte optische und mechanische Qualitätseigenschaften sowie eine verbesserte Schrumpf- und

Barrierewirkung. Messsysteme zum Charakterisieren der mechanischen Eigenschaften bei biaxialer Verstreckung der zu verarbeitenden Halbzeuge unterliegen jedoch Einschränkungen des Messbereichs von maximalen Streckgraden und charakterisierbaren Werkstofftemperaturen. Diese messtechnisch bedingten

Einschränkungen, die hauptsächlich einer unzureichenden Klemmung des Probekörpers bzw. Halbzeugs geschuldet sind, verhindern eine vollständige Bestimmung der in Herstell- und Verarbeitungsprozessen auftretenden Materialbelastungen.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zum Durchführen der beschriebenen Verfahren wird die Fixierung und Führung des Halbzeugs beispielsweise durch auf dem Umfang des Probenkörpers verteilte punktuelle Greifer realisiert. Diese ermöglichen jedoch nur mit Einschränkungen eine Abbildung realer Prozessbedingungen infolge einer Einschnürbewegung des

Folienmaterials zwischen auseinanderfahrenden Greifereinheiten. Der nicht fixierte Probenrand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Greifereinheiten wächst mit zunehmenden Streckgrad und verursacht eine ungleichmäßige Dehnungsverteilung im Randbereich des Probenkörpers und damit eine nega- tive Beeinflussung des Messergebnisses. Zusätzlich sind diese Einschnürstellen

Ausgangspunkt von Rissen, die die Beschränkung des Messbereichs begründen.

Aus Druckschrift DE 2351996 B2 ist beispielsweise eine Vorrichtung bekannt, bei der durch das Aufbringen von Druckkräften das Halbzeug am Rand lokal geklemmt wird, was sich allerdings nachteilig auf eine Dehnungsverteilung des Werkstoffs auswirkt. Nicht fixierte Randbereiche werden stärker beansprucht und es entstehen Einschnürungen, die zu Fehlstellenb bis hin zu einem Abriss führen können. Bei einem Abtrennen ungleichmäßig gedehnter Bereiche kommt es zu einem Materialverlust, der wiederum Kosten verursacht.

DE 7621499 Ul beschreibt die Möglichkeit, neben Hauptkluppen, die zum Halten und Führen des Halbzeugs dienen, noch Spannkluppen zu verwenden, die die Abstände zwischen den Klemmstellen vermindern. Die Dehnungsver- teilung bleibt allerdings auch hierbei inhomogen im Randbereich. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einer Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem eine durchgängige Fixierung von Probenrändern bei einer Verstreckung ohne negative Werkstoffbeeinflussung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Eine Haltevorrichtung für ein flächiges Werkstück weist mindestens zwei Klemmvorrichtungen zum Klemmen jeweils eines äußeren Rands oder einer Oberfläche des flächigen Werkstücks und eine Verfahrvorrichtung zum Verfahren mindestens einer der Klemmvorrichtungen auf. Zumindest eine der Klemmvorrichtungen weist mindestens ein elastisches Element auf, das eingerichtet ist, bei einem Dehnen des flächigen Werkstücks durch Verfahren der Verfahrvorrichtung gedehnt zu werden, so dass während des Dehnens das elastische Element einen Berührungsbereich zwischen dem flächigen Werkstück und dem elastischen Element aufweist, in dem das elastische Element das flächige Werkstück zu Beginn des Dehnens berührt und an jeder bei Beginn des Dehnens berührten Position klemmt.

Durch das Vorsehen von mindestens zwei Klemmvorrichtungen kann einerseits ein Randbereich des zu bearbeitenden flächigen Werkstücks, das auch als Halbzeug bezeichnet werden kann, sicher gehalten werden, aber dennoch durch Dehnen bzw. Strecken bearbeitet werden. Unter dem Dehnen bzw. der Dehnung soll hierbei eine relative Längenänderung unter Belastung verstanden werden, die zu sich vergrößernden Abmessungen des Werkstücks führen, was auch als Strecken, also als positive Dehnung, bezeichnet wird. Der Rand- bereich des zu bearbeitenden Werkstücks soll hierbei einen Bereich bezeichnen, der um nicht mehr als 10 Prozent einer Gesamtlänge oder einer Gesamtbreite des Werkstücks von dem Rand des Werkstücks entfernt ist. Indem mindestens eine der Klemmvorrichtungen, vorzugsweise beide Klemmvorrichtungen verfahren, also bewegt werden kann, wodurch sich typischerweise ein Abstand zwischen den beiden Klemmvorrichtungen vergrößert, wird das Dehnen des Werkstücks bewirkt, allerdings gleichzeitig auch das elastische Ele- ment, das an einer der Klemmvorrichtungen bzw. an jeder der Klemmvorrichtungen angeordnet ist, in seinen Abmessungen ebenfalls verändert. Durch das Dehnen des elastischen Elements während des Dehnens des flächigen Werkstücks, also während des Dehnungsvorgangs, wird somit ein Berührungsbe- reich zwischen dem flächigen Werkstück und dem elastischen Element an jeder Position durch das elastische Element geklemmt, die bei Beginn des Dehnens bereits von dem elastischen Element berührt wurde. Ein "Herausfließen" von Werkstoff des Werkstücks, wie er bei bekannten Verfahren beobachtet wird, wird durch das elastische Element gerade verhindert. Dies kann zu einer homogenen Kraftverteilung über eine gesamte Länge eines Berührungsbereichs, also typischerweise einer Auflagefläche des elastischen Elements auf dem flächigen Werkstück führen. Somit werden lokale Einschnürstellen oder eine Rissbildung im Klemmbereich vermieden und eine gleichmäßige Dehnungsverteilung erreicht. Ferner kann hierdurch eine definierte Krafteinstel- lung bzw. ein definierter Kraftverlauf über eine Länge des Werkstücks entlang des Berührungsbereichs erreicht werden. Das elastische Element soll ein Element kennzeichnen, das bei einer Temperatur von 20 °C ein Elastizitätsmodul zwischen 0,01 GPa und 7 GPa, vorzugsweise zwischen 0,05 GPa und 5 GPa aufweist.

Vorzugsweise sind die Klemmvorrichtungen umlaufend um das flächige Werkstück angeordnet, d. h. an jeder Seite des Werkstücks befindet sich eine der Klemmvorrichtungen und es kann an dieser Seite eine Kraft zum Dehnen aufgebracht werden.

Es kann vorgesehen sein, dass das Werkstück derart von den Klemmvorrichtungen gehalten wird, dass bei einem Verfahren mindestens einer der Klemmvorrichtungen eine biaxiale Dehnung, also eine Dehnung entlang von zwei, typischerweise im rechten Winkel zueinander angeordneten Achsen erfolgt. Vorzugsweise erfolgt ausschließlich eine Dehnbewegung während des

Verfahrens, d.h. es werden keine weiteren translatorischen Bewegungen wie ein Transportieren des Werkstücks durchgeführt. Insbesondere ist die Klemmvorrichtung typischerweise ausschließlich zum Durchführen der Dehnung eingerichtet, führt also keine translatorische Bewegung des Werkstücks durch.

Vorzugsweise ist das elastische Element ein Hohlkörper, so dass in seinem Innenraum noch weitere Bauteile zum sicheren Halten des flächigen Werkstücks angeordnet sein können.

Es kann vorgesehen sein, dass das elastische Element als ein Schlauch, eine Folie, ein Ring oder als ein Riemen ausgeführt ist. Dies erlaubt es, ein für den jeweiligen Anwendungsfall passendes Bauteil zu verwenden. Typischerweise ist das elastische Element derart an der Klemmvorrichtung angeordnet, dass es das flächige Werkstück an dessen Oberseite und an dessen Unterseite berührt. Das elastische Element kann auch zwei verschiedene Bauteile aufweisen, beispielsweise einen Schlauch zum Andrücken auf die Oberseite des Werkstücks und einen Riemen zum Kontaktieren der Unterseite des Werkstücks.

Das elastische Element kann auch bereichsweise unterschiedlich aufgebaut sein, beispielsweise entlang seiner Längsachse einen wechselnden Durchmesser aufweisen oder entlang seiner Längsachse bereichsweise unterschiedliche Werkstoffe und somit unterschiedliche Elastizitäten aufweisen.

Typischerweise ist ein Verdichter vorgesehen, der mit dem elastischen Element bzw. mit dem Schlauch verbunden ist und ausgebildet ist, in einem Inneren des elastischen Element, insbesondere des Schlauchs mit einem verdichteten Fluid einen Druck zu generieren, der größer als ein Umgebungsdruck ist. Indem in dem Schlauch bzw. in dem Inneren des elastischen Elements ein Überdruck bezogen auf einen im Außenraum dieses Elements herrschenden Umgebungsdruck durch den Verdichter oder eine Pumpvorrichtung erzeugt wird, wird eine zuverlässigere Fixierung des flächigen Werkstücks erreicht.

Durch eine Druckeinstellvorrichtung kann der Druck im Inneren des elastischen Elements bzw. des Schlauchs während des Dehnens gesteuert oder geregelt werden.

Es kann hierbei vorgesehen sein, dass im Inneren des elastischen Elements bzw. im Inneren des Schlauchs ein Drucksensor angeordnet ist, der mit der Druckeinstellvorrichtung kabellos oder kabelgebunden verbunden ist, so dass die Druckeinstellvorrichtung den Druck im Inneren des Schlauchs während des Dehnens des Werkstücks in Abhängigkeit von mit dem Drucksensor gemesse- nen Messwerten regelt. Typischerweise werden zur Regelung mehrere Messwerte herangezogen, es kann aber auch ein einziger Messwert verwendet werden. Ein Kraftsensor zum Bestimmen der Haltekraft kann an der Klemmvorrichtung vorgesehen sein, um auch beim Dehnen die jeweils wirkende Kraft zu bestimmen. Vorzugsweise ist dieser Kraftsensor kabellos oder kabelgebunden mit der Druckeinstellvorrichtung verbunden, damit diese, sofern die Möglichkeit dazu besteht, den Druck im Inneren des elastischen Elements in Abhän- gigkeit von einem von dem Kraftsensor gemessenen Messwert regelt. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Verformungssensor an dem elastischen Element vorgesehen sein, durch den eine Verformung des elastischen beim Klemmen, vorzugsweise räumlich aufgelöst, detektiert wird. Dies ermöglicht es, beispielsweise bei im Querschnitt kreisförmigen elastischen Elementen wie dem Schlauch, die Form des Berührungsbereichs zu bestimmen und in vorteilhafter Weise eine entsprechende Druckregelung, beispielsweise durch die Druckeinstellvorrichtung, durchzuführen.

An einer mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Oberfläche des elastischen Elements kann eine Perforierung und bzw. oder eine poröse Struktur vorgesehen sein, die während des Dehnens fluiddicht verschlossen ist bzw. sind. Diese stellenweise fluiddurchlässige Struktur erleichtert ein Halten des Werkstücks mit einer definierten Kraft. Zudem wird ein Entfernen des Werkstücks aus der Haltevorrichtung erleichtert, indem bei einem Positionieren der Perforierung bzw. der porösen Struktur, beispielsweise nach einer vorgegebenen Dehnungsstrecke, die fluiddichte Abdichtung nicht mehr gegeben ist und somit ein Druck im Inneren des elastischen Elements abnimmt.

Das elastische Element ist vorzugsweise aus Silikon ausgebildet, da dieser Werkstoff eine hohe Elastizität aufweist. Besonders vorzugsweise ist das elastische Element aus temperaturbeständigem Silikon, d. h. einem Werkstoff, der bis zu einer Temperatur von 350 °C ein reversibles elastisches Verhalten zeigt.

Alternativ oder zusätzlich sollte das elastische Element mindestens ein Feder- element zum Erhöhen einer Steifigkeit der Klemmvorrichtung aufweisen. Vorzugsweise ist das Federelement im Inneren des elastischen Elements ange- ordnet und bzw. oder als Druckfeder ausgestaltet. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Versteifungselement in dem oder an dem elastischen Element vorgesehen sein.

An der Verfahreinheit sollte vorzugsweise ein Kraftflusssensor angeordnet sein, um auftretende Kräfte zu messen und somit ein Verhalten des Werkstücks besser charakterisieren zu können.

Typischerweise sind die mindestens zwei Klemmvorrichtung einander gegenüberliegend angeordnet, so dass eine definierte Krafteinwirkung entlang einer Achse in einer uniaxialen Anordnung ermöglicht wird. Falls mehr als zwei Klemmvorrichtungen vorgesehen sind, sind diese vorzugsweise paarweise einander gegenüberliegend angeordnet.

Sämtliche beschriebenen Sensoren stehen typischerweise mit einer Steuereinheit in Kontakt, die in Abhängigkeit von gemessenen Sensorsignalen eine Steuerung bzw. Regelung durchführt.

Bei einem Verfahren zum Halten eines flächigen Werkstücks wird ein äußerer Rand oder eine Oberfläche des flächigen Werkstücks mit mindestens zwei Klemmvorrichtungen geklemmt und durch eine Verfahrvorrichtung mindestens eine der Klemmvorrichtungen verfahren. Zumindest eine der Klemmvorrichtungen weist mindestens ein elastisches Element auf, das bei einem Dehnen des flächigen Werkstücks durch Verfahren der Verfahrvorrichtung derart gedehnt wird, dass während des Dehnens ein Berührungsbereich zwischen dem flächigen Werkstück und dem elastischen Element, in dem das elastische Element das flächige Werkstück zu Beginn des Dehnens berührt, an jeder bei Beginn des Dehnens berührten Position geklemmt wird.

Das beschriebene Verfahren wird vorzugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt bzw. die beschriebene Vorrichtung ist zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens eingerichtet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 5 erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Haltevorrichtung mit Werkstück; Fig. 2 eine Schnittansicht einer Klemmvorrichtung; Fig. 3 eine seitliche Ansicht einer Verfahreinheit;

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Halbzeug in verschiedenen gestreckten Zuständen und

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Haltevorrichtung, die als biaxiale Reckvorrichtung mit umlaufender elastischer Klemmvorichtung ausgebildet ist.

In Figur 1 ist in einer Draufsicht eine Haltevorrichtung dargestellt. In der mit "Pos. 1" gekennzeichneten Position ist die Haltevorrichtung als biaxialer Reckrahmen ausgeführt und ein Werkstück 1 ist in seinem Randbereich eingespannt, aber noch nicht gedehnt. Der Reckrahmen ist im dargestellten Ausführungsbeispiel quadratisch, kann aber natürlich auch rechteckig sein oder eine andere Form aufweisen. Der Reckrahmen weist vier Eckverbinder 12 auf. Zwischen jeweils zwei Eckverbindern 12 verläuft eine Klemmvorrichtung 2, die ein elastisches Element 6 in Form eines im Querschnitt kreisförmigen

Schlauchs aus temperaturbeständigem Silikon aufweist. Die insgesamt vier Klemmvorrichtungen 2 sind somit einander paarweise gegenüberliegend angeordnet und bilden eine um das Werkstück 1, das auch als Halbzeug bezeichnet wird, umlaufende Klemmvorrichtung 2. Das Werkstück 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Folie aus Kautschuk

Typischerweise befindet sich der in Figur 1 gezeigte Aufbau in einer

Temperierkammer bzw. ist Teil eines Systems zum Temperieren einer Probentemperatur. Das System zum Temperieren der Probentemperatur weist typischerweise noch eine Kammer auf, in der die Haltevorrichtung sowie eine Kühlvorrichtung und bzw. oder eine Heizvorrichtung angeordnet sind. Durch ein derartiges Temperiersystem kann ein durchzuführender Verstreckprozess unter definierten Bedingungen durchgeführt werden, wobei die einzustellende Temperatur im Bereich der materialspezifischen Umformtemperatur des Werkstoffs des Werkstücks 1 liegt. Darunter soll insbesondere verstanden werden, dass die eingestellte Temperatur um nicht mehr als 15 °C von der Umformtemperatur dieses Werkstoffs abweicht. Die Eckverbinder 12 dienen zur Anbindung des elastischen Elements 6 an eine

Grundkonstruktion eines Versuchsstands, auf dem die abgebildete Haltevorrichtung angeordnet ist. Zum Dehnen bzw. Verstrecken des Werkstücks 1 werden die Eckverbinder 12 und bzw. oder die Klemmvorrichtungen 2 durch eine Verfahrvorrichtung bewegt, also verfahren, wodurch die elastischen Ele- mente 6 eine Längenänderung erfahren und diese durch die Klemmung auf die Probenränder übertragen. Die Bewegung entlang der durch durchgehende Pfeile markierten Hauptachsenrichtung kann beispielsweise durch lineare Direktantriebe oder mittels mechanischer Übersetzungsgetriebe realisiert werden. Dabei kann die Bewegung sowohl symmetrisch mit zwei bewegten Seiten pro Hauptrichtung als auch unsymmetrisch mit nur einer bewegten Seite pro

Hauptrichtung erfolgen.

Das elastische Element 6 der Klemmvorrichtung 2 sorgt hierbei für eine vollständige Fixierung bzw. Klemmung der äußeren Randbereiche des Werk- Stückmaterials und wird typischerweise beidseitig an dem Werkstück 1 angebracht. Das elastische Element 6 wird zusammen mit dem Halbzeug, also zusammen mit dem Werkstück 1 im Prozess gestreckt und gewährleistet durch die damit parallel stattfindende Ausdehnung eine konstante Fixierung des Randbereichs an den Positionen, die bereits zu Beginn des Dehnens bzw. zu Beginn des Dehnungsvorgangs von dem elastischen Element 6 berührt wurden. Dies kann zu einer homogenen Kraftverteilung entlang der Fläche führen, an der sich das elastische Element 6 und das Werkstück 1 berühren. Dies führt zu einer deutlichen Reduzierung lokaler Einschnürstellen und damit zu einer verbesserten und gleichmäßigen Dehnungsverteilung über die gesamte Fläche des Werkstücks 1. Zudem werden rissbedingte und unerwünschte Materialbeschädigungen reduziert und es wird ein vergleichbares Aufwärmverhalten der Haltevorrichtung, insbesondere eines Greifersystems der Haltevorrichtung, und des Werkstücks 1 erreicht. Schließlich können noch im Weiteren genauer beschriebene Dehnungs- und Kraftmesssysteme in die Haltevorrichtung inte- griert werden. Bei der in Figur 1 dargestellten Haltevorrichtung kann beim Verstrecken des Werkstücks 1 aus dem mit "Pos. 1" gekennzeichneten Zustand in den mit "Pos. 2" bezeichneten Zustand ein zeitlicher Bewegungsablauf frei gewählt werden. Es ist sowohl ein synchrones Verfahren, also ein zeitlich paralleles Verfahren von zumindest zwei Klemmvorrichtungen 2, aber auch von allen

Klemmvorrichtungen 2, als auch ein sequentielles Verfahren einzelner der Klemmvorrichtungen 2 möglich.

Bei dem in Figur 1 gezeigten Aufbau ist ein Verdichter 7 vorgesehen, der mit dem elastischen Element 6 verbunden ist und dazu dient, in einem Inneren des Schlauchs mit einem verdichteten Fluid, typischerweise Luft, einen Druck zu generieren, der größer als ein Umgebungsdruck ist. Der Verdichter 7 steht hierbei mit einer Druckeinstellvorrichtung 8, beispielsweise einem Computer, in elektrischem Kontakt, die den Druck im Inneren des Schlauchs während des Dehnens des Werkstücks 1 steuert oder regelt, indem der Verdichter 7 entsprechend von der Druckeinstellvorrichtung 8 angesteuert wird.

In zumindest einer der Klemmvorrichtungen 2 ist im Inneren des Schlauchs ein Drucksensor 9 angeordnet, der in elektrische Verbindung mit der Druckein- Stellvorrichtung 8 steht. In Abhängigkeit von einem Messwert oder mehreren

Messwerten des Drucksensors 9 regelt die Druckeinstellvorrichtung 8 den Innendruck innerhalb des Schlauchs. Hierzu kann auch eine Steuereinheit vorgesehen sein, die Messsignale mehrerer Sensoren, beispielsweise eines Verformungssensors, verarbeitet und die Druckeinstellvorrichtung 8 entspre- chend ansteuert.

In Figur 2 ist in einer Schnittansicht eine Klemmvorrichtung 2 in Form eines Schlauchgreifers mit Greiferbasis und Greiferarm gezeigt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identi- sehen Bezugszeichen versehen. Das Werkstück 1 ist zwischen zwei Schläuchen, die das elastische Element 6 bilden eingeklemmt. Durch das Verwenden der Schläuche 6 ist eine Kontaktfläche zwischen dem elastischen Element 6 und dem Werkstück 1 auf ein Minimum reduziert. Das für die Schläuche verwendete temperaturbeständige Silikonmaterial verfügt über einen sehr gro- ßen elastischen Dehnungsbereich, kehrt nach dem Streckprozess wiederholbar in seinen Ausgangszustand zurück und kann mehrfach verstreckt werden. Der Schlauch wird durch eine auf einer Gegenseite zum Werkstück 1, also auf einer dem Werkstück 1 abgewandten Seite des Schlauchs, angeordnete Verfahrvorrichtung bzw. Greifeinrichtung geführt. Die Verfahrvorrichtung weist hierzu einen oberen Arm 3 und einen unteren Arm 4 auf, die entlang von Führungsstangen 5 geführt werden können und durch diese bewegbar, also verfahr bar sind.

Eine zum Klemmen notwendige Übertragung einer Anpresskraft, die dazu führt, dass der Berührungsbereich an jeder Stelle mindestens mit einer ursprünglich aufgebrachten Haltekraft geklemmt wird und somit verhindert, dass Werkstoff des Werkstücks, der anfänglich zwar geklemmt war, aber danach infolge des Dehnungsvorgangs nicht mehr von der Klemmvorrichtung erreicht wird, setzt eine ausreichende Steifigkeit des elastischen Elements 6 voraus, die durch seine Ausgestaltung als mit einem Fluid füllbarer Hohlkörper unterstützt wird. Zusätzlich ist in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel im Schlauchinneren oder im Silikonmantel eine Spiralfeder als Federelement 10 integriert, um die Steifigkeit in Klemmrichtung zu erhöhen. Ein ähnlicher Effekt kann auch durch das alternative oder zusätzliche Einbringen von Versteifungselementen wie Metall ringen oder Verstärkungsrippen bzw. variabel ausgeführten Schlauchdickenverteilungen erreicht werden.

Beim Realisieren des Überdrucks im Schlauchinneren kann das Werkzeug 1 im drucklosen Zustand eingelegt und nachfolgend durch eine Fluideinleitung und einen Druckaufbau im Inneren des elastischen Elements 6 geklemmt werden.

Somit kann eine flexible Anpassung im Hinblick auf eine Halbzeugdicke und Eigenschaften der Werkstückoberfläche erfolgen. Zudem kann durch die Druckeinstellvorrichtung 8 bzw. die Steuereinheit während des Streckvorgangs der Druck gezielt gesteuert bzw. geregelt werden, um einem Einschnü- ren im Streckprozess entgegen zu wirken und eine gleichmäßige Klemmung des Werkstücks 1 über den gesamten Streckprozess sicherzustellen.

Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der obere Schlauch an seiner Unterseite mit einer Perforierung 13 bzw. Perforation versehen, die auch durch eine poröse Struktur, vorzugsweise eine poröse schaumartige

Struktur, ersetzt oder ergänzt werden kann. Durch Vorsehen derartiger Struk- turen auf einer Kontaktseite des elastischen Elements 6 wird das

druckbeaufschlagte elastische Element 6 während des Verstreckprozesses durch den Kontakt mit dem Werkstückwerkstoff bzw. Werkstückmaterial abgedichtet. Mit diesen luftdurchlässigen bzw. fluiddurchlässigen Bereichen kann durch einen kurzzeitigen Überdruck über einen Zeitraum von beispielsweise 5 s ein Fluidstoß bzw. Luftstoß beim Öffnen der Klemmvorrichtung 2 injiziert und anhaftender Werkstoff beschädigungsarm ausgestoßen werden.

Zudem kann das Vorsehen einer stellenweise fluiddurchlässigen Struktur, die auch durch ein Einbringen von Löchern, Nuten oder Kapillaren in das elastische Element 6 realisiert werden kann, auch durch Anlegen eines Unterdrucks im Inneren oder auf einer Gegenseite des elastischen Elements 6 genutzt werden. Hierbei kann das Fixieren des Rands des Werkstücks 1 auch nur mittels eines einzigen elastischen Elements 6 erfolgen, was Vorteile beim Zufüh- ren, Einlegen und Abführen des Werkstücks 1 bietet. Der Unterdruck sollte bei diesem Ausführungsbeispiel über den gesamten Verstreckprozess aufrechterhalten werden und erst am Ende des Verstreckprozesses zum Entnehmen der verstreckten Proben abgeschaltet werden. Figur 3 zeigt in einer seitlichen Ansicht eine Ausführungsform der Verfahreinheit, bei der diese eine Kinematik mit überkreuzenden Streben 11 einsetzt. Führungsstangen 5 führen die Verfahreinheit parallel zum elastischen Element 6, so dass die gebildete Greifereinrichtung zum Stabilisieren und Führen des elastischen Elements 6 synchron zur Längenausdehnung des elastischen Ele- ments 6 fährt. Der obere Arm 3 und der untere Arm 4 sind wiederum an den

Führungsstangen 5 befestigt und durch diese bzw. entlang dieser verfahrbar.

Zum Einsatz des in Figur 1 dargestellten Reckrahmens zum Charakterisieren von mechanischen Eigenschaften des Werkstückmaterials ist eine Integration eines Messsystems zum simultanen Aufzeichnen von Umformkräften während der Verstreckung möglich. Dazu kann ein Kraftflusssensor an oder in der Antriebsachse vorgesehen sein und die zu bestimmende Kraft zum Verstrecken des Werkstücks 1 wird, bei direkter Kopplung mit dem elastischen Element 6, zusammen mit der Umformkraft der elastischen Element 6 sowie mit etwai- gen zusätzlichen Komponenten des Antriebsstrangs gemessen. Nach einer vorherigen Kalibrierung können diese Einflüsse auch herausgerechnet und somit das zu charakterisierende Materialverhalten des Werkstücks 1 als Probe bestimmt werden.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Kraftmesssystem auch dadurch realisiert werden, dass eine lokale, starre Fixierung des Werkstücks 1 vorliegt

(beispielsweise durch Klemmen auf den Symmetrieachsen des Werkstücks 1), wobei in diesem möglichst kleinen Bereich kein Kontakt des elastischen Elements 6 mit dem Werkstück 1 besteht, wodurch eine anteilige Umformkraft mittels eines mechanisch mit der Klemmvorrichtung 2 verbundenen Sensor bestimmt werden kann. Wie in Figur 2 gezeigt, kann eine Kombination beider

Messprinzipien durch eine Loslagerung in Zugrichtung eines Greifers bzw. eines der Arms 3, 4 zum Führen des elastischen Elements 6 erfolgen. Der lose gelagerte Greifer, also ein Teil der Verfahreinheit bzw. der Klemmvorrichtung 2 wird in diesem Fall mechanisch mit dem Sensorsystem verbunden, das da- mit die notwendige Haltekraft zum Führen des elastischen Elements 6 bestimmen kann. Diesem entspricht anteilig zur Anzahl der Greifereinheiten die Umformkraft des Werkstückmaterials für die entsprechende Verstreckrichtung. In Figur 4 sind mehrere Ausführungsbeispiele eines uniaxialen Reckens in

Draufsicht gezeigt. Während bei den beiden oben gezeigten Ausführungsbeispielen die Klemmvorrichtungen 2 zwar an einander gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks 1 angeordnet sind, sich allerdings eine Einschnürung aufgrund fehlender Fixierung ergibt, lösen die beiden untern gezeigten Ausfüh- rungsbeispiele dieses Problem. Bei einem Streckprozess mit zusätzlicher Fixierung durch das elastische Element 6 erfolgt keine Einschnürung, so dass auch in diesem Fall zumindest an zwei Seiten starre Klemmelemente verwendet werden können. Bei einem weiteren, in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine kontinuierliche Folienstreckanlage eingesetzt. Das elastische Element 6 ist in diesem Fall als Ring ausgeführt und durch ein Leitsystem mit den Führungsstangen 5 auf einer den Streckprozess bestimmenden Bewegungsbahn geführt. Die Führungsstangen 5 sind nun jedoch rotierbar und bewegen bei ihrer Rota- tion bzw. Drehung das jeweilige elastische Element 6 mit. In einem Vorprozess wurde die als das Werkstück 1 dienende Folie extrudiert und bereits teilweise vororientiert. Zu Beginn des Prozesses wird dieses Werkstück 1 durch die beiden elastischen Element 6 fixiert und in eine Ofenanlag eingeführt, so dass eine thermische Konditionierung des Folienmaterials erfolgt.

Der folgende Streckprozess gestaltet sich ähnlich wie bei einem Reckrahmen. Die Streckung in Maschinenlaufrichtung wird durch eine sich steigernde Abzugsgeschwindigkeit durch unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeit der Führungsstangen 5, die auch als Antriebswalzen oder Leitwalzen bezeichnet werden, und eine damit verbundene Streckung des elastischen Elements 6 realisiert. Die Streckung in Folienebene orthogonal zur Maschinenlaufrichtung erfolgt durch eine sich verbreiternde Führungsbahn. Hierbei wird gegenüber konventionellen Klumpengreifsystemen eine vollständige Fixierung des Bahnrandes über den gesamten Streckprozess und damit die Reduzierung lokaler Einschnürprozesse erreicht, was zu einer verbesserten Produktqualität und reduziertem Randverschnitt führt.

Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.

Claims

1 FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V., Technische Universität Dresden 178PCT 2282 Patentansprüche

1. Haltevorrichtung für ein flächiges Werkstück (1) mit mindestens zwei Klemmvorrichtungen (2) zum Klemmen jeweils eines äußeren Rands oder einer Oberfläche des flächigen Werkstücks (1) und einer Verfahrvorrichtung (3, 4, 5) zum Verfahren mindestens einer der Klemmvorrichtungen (2), wobei zumindest eine der Klemmvorrichtungen (2) mindestens ein elastisches Element (6) aufweist, das eingerichtet ist, bei einem Dehnen des flächigen Werkstücks (1) durch Verfahren der Verfahrvorrichtung (3, 4) gedehnt zu werden, so dass während des Dehnens das elastische Element (6) einen Berührungsbereich zwischen dem flächigen Werkstück (1) und dem elastischen Element (6) aufweist, in dem das elastische Element (6) das flächige Werkstück (1) zu Beginn des Dehnens berührt und an jeder bei Beginn des Dehnens berührten Position klemmt.

2. Haltevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (6) als ein Schlauch, eine Folie, ein Ring oder als ein Riemen ausgeführt ist.

3. Haltvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichter (7) vorgesehen ist, der mit dem Schlauch verbunden ist und ausgebildet ist, in einem Inneren des Schlauchs mit einem verdichteten Fluid einen Druck zu generieren, der größer als ein Umgebungsdruck ist. 2

4. Haltevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckeinstellvorrichtung (8) den Druck im Inneren des Schlauchs während des Dehnens des Werkstücks (1) steuert oder regelt.

5. Haltevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Schlauchs ein Drucksensor (9) angeordnet ist, der mit der Druckeinstellvorrichtung (8) verbunden ist, so dass die Druckeinstellvorrichtung (8) den Druck im Inneren des Schlauchs während des Dehnens des Werkstücks (1) in Abhängigkeit von mit dem Drucksensor (9) gemessenen Messwerten regelt.

6. Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einer mit dem Werkstück (1) in Kontakt stehenden Oberfläche des elastischen Elements (6) eine Perforierung (13) und/oder eine poröse Struktur vorgesehen ist/sind, die während des Dehnens fluiddicht durch das Werkstück (1) verschlossen ist/sind.

7. Haltevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (6) aus Silikon und/oder Kautschuk ausgebildet ist.

8. Haltevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (6) mindestens ein Federelement (10) zum Erhöhen einer Steifigkeit der Klemmvorrichtung (2) aufweist.

9. Haltevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Klemmvorrichtungen (2) einander gegenüberliegend angeordnet sind.

10. Verfahren zum Halten eines flächigen Werkstücks (1), bei dem ein äußerer Rand oder eine Oberfläche des flächigen Werkstücks (1) mit mindestens zwei Klemmvorrichtungen (2) geklemmt und durch eine Verfahrvorrichtung (3, 4) mindestens eine der Klemmvorrichtungen (2) verfahren wird, wobei zumindest eine der Klemmvorrichtungen (2) mindestens ein elastisches Element (6) aufweist, das bei einem Dehnen des flächigen Werkstücks (1) durch Verfahren der Verfahrvorrichtung (3, 4) derart gedehnt wird, dass während des Dehnens ein Berührungsbereich zwischen dem flächigen Werkstück (1) und dem elastischen Element (6), in dem das elastische Element (6) das flächige Werkstück (1) zu Beginn des Dehnens berührt, an jeder bei Beginn des Dehnens berührten Position geklemmt wird.