DE102005013539A1

DE102005013539A1 - Elektromagnetische Metallformgebung

Info

Publication number: DE102005013539A1
Application number: DE102005013539A
Authority: DE
Inventors: Glenn S. Columbus Daehn
Original assignee: Ohio State University
Current assignee: Ohio State University
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2025-03-24
Also published as: WO2005097372A2; WO2005097372A3; US7069756B2; DE102005013539B4; US20050217333A1

Abstract

Es wird ein Schema zur Verformung einer Tafel bzw. eines Blechs (50) vorgeschlagen. Gemäß einer Ausführungsform umfaßt eine Vorrichtung (10) zur Verformung einer Tafel bzw. eines Blechs (50) einen Gesenkabschnitt (20), einen elektromagnetischen Aktuator (30) und einen leitfähigen Rahmen (40). Der Gesenkabschnitt (20) besitzt eine profilierte Oberfläche (22). Der elektromagnetische Aktuator (30) ist gegenüber der profilierten Gesenkoberfläche (22) angeordet. Der leitfähige Rahmen (40) ist so ausgebildet, daß er (i) des Blech (50) in einer Position zwischen dem elektromagnetischen Aktuator (30) und der profilierten Oberfläche (22) in elektrischem Kontak mit dem leitfähigen Rahmen (40) festhält, (ii) bei Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators (30) eine Verformung des Blechs (50) gegen die profilierte Oberfläche (22) zuläßt und (iii) einen Rückflußweg für bei Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators im Blech (50) induzierte Wirbelströme definiert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die elektromagnetische Metallumformung und insbesondere ein elektromagnetisches Verfahren zur Verformung einer Tafel bzw. eines Blechs aus dem zu bearbeitenden Material, nachfolgend kurz „Blech" genannt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Schema zur Verformung eines Blechs zur Verfügung gestellt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verformung eines Blechs vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfaßt einen Gesenkabschnitt, einen elektromagnetischen Aktuator und einen leitfähigen Rahmen. Der Gesenkabschnitt definiert eine profilierte Oberfläche. Der elektromagnetische Aktuator ist gegenüber der profilierten Oberfläche des Gesenks angeordnet. Der leitfähige Rahmen ist so gestaltet, daß er (i) die Tafel bzw. das Blech in elektrischem Kontakt mit dem leitfähigen Rahmen in einer Position zwischen dem elektromagnetischen Aktuator und der profilierten Gesenkoberfläche festhält, (ii) bei Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators eine Verformung der Tafel bzw. des Blechs gegen die profilierte Gesenkoberfläche gestattet und (iii) einen Rückflußweg für bei Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators in der Tafel bzw. dem Blech induzierte Wirbelströme definiert.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verformung eines Blechs vorgeschlagen, bei welchem der Aktuator nach Art einer Induktionsheizung und nach der Induktionsheizphase nach Art einer elektromagnetischen Formgebung betrieben wird. Die Betriebsweise nach Art einer Induktionsheizung ist gekennzeichnet durch Spannungs- und Stromprofile, die zur induktiven Aufheizung des blechartigen Materials ausgewählt sind. Die Betriebsweise zur elektromagnetischen Formgebung ist gekennzeichnet durch Spannungs- und Stromprofile zur Erzeugung einer Abstoßkraft zwischen dem Aktuator und dem Blech von ausreichender Intensität zur Verformung des Blechs gegen die profilierte Oberfläche.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verstanden werden, in welchen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet sind und in denen zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verformung eines Blechs gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine Darstellung einer Strömungsfeldplatte (flow field plate), die gemäß der Erfindung geformt werden kann und
3 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Vorrichtung zur Umformung eines Zielblechs gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Indem zunächst auf 1 Bezug genommen wird, wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verformung eines Blechs beschrieben. Hauptsächlich umfaßt die Blechverformungsvorrichtung 10 einen gesenkartigen Abschnitt 20, einen elektromagnetischen Aktuator 30 und einen leitfähigen Rahmen 40. Der gesenkartige Abschnitt 20 definiert eine profilierte Gesenkoberfläche 22. Der elektromagnetische Aktuator 30 ist gegenüber der Gesenkoberfläche 22 des gesenkartigen Abschnitts 20 angeordnet. Ein Blech 50 wird in einer Position zwischen dem elektromagnetischen Aktuator 30 und der profilierten Gesenkoberfläche 22 befestigt.
Es wird vorausgesetzt, daß der elektromagnetische Aktuator 30 eine Vielzahl geeigneter Konfigurationen annehmen kann, einschließlich jener, die eine Induktionsspule umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt ist. Geeignete Induktionsspulen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, jene, die als Spule mit mehreren, im wesentlichen schraubenförmigen Windungen gestaltet sind. Als geeignete schraubenförmige Spulen werden solche angesehen, die verschiedene geometrische Formen aufweisen, einschließlich solcher, die eine kreisförmige, elliptische, parabolische, vierseitige und ebene Geometrie aufweisen, ohne darauf beschränkt zu sein. Wer die vorliegende Erfindung anwendet, sollte berücksichtigen, daß die Technik der elektromagnetischen Formgebung eine Fülle von Lehren zur Aktuatorgestaltung aufweist.
Bei der Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators 30, z.B. durch Erzeugung eines Stromimpulses durch eine Kondensatorbatterie, die durch eine geeignete Aktuatorsteuerung gesteuert wird, erzeugt das intensive elektromagnetische Feld des Aktuators 30 eine abstoßende elektromagnetische Kraft zwischen dem Aktuator 30 und dem Blech 50. Wie dem Fachmann auf dem Gebiet der elektromagnetischen Verformung bekannt, ist die Größe der abstoßenden Kraft eine Funktion verschiedener Faktoren einschließlich der Leitfähigkeit des Blechs 50 und – bei Verwendung einer Induktionsspule als Aktuator 30 – der Windungszahl der Aktuatorspule. Die Art und Weise, mit der der Aktuator 30 betrieben wird, liegt außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung und kann aus den Lehren zur elektromechanischen Verformung entnommen werden. Es sollte jedoch beachtet werden, daß der Aktuator 30 in typischer Weise durch die gesteuerte, periodische Entladung eines Kondensators betrieben wird, die kurze elektrische Entladungen mit hoher Spannung und hoher Stromstärke über eine leitende Spule des Aktuators 30 erzeugt.
Die durch einen elektromagnetischen Aktuator betriebene, erfindungsgemäße Blechumformungsvorrichtung 10 kann so betrieben werden, daß Formänderungen mit einer Folge (strain rates) von etwa 1000 sec^–1 oder wenigstens etwa 100 sec^–1 und mit einer 50 m/s überschreitenden Blechgeschwindigkeit erreicht werden. Bei solchen Formänderungsfolgen (strain rates) und Blechgeschwindigkeiten (sheet velocities) gehen viele Materialien, die typischerweise bei geringeren Formänderungsfolgen und Blechgeschwindigkeiten eine geringe Verformbarkeit aufweisen, in einen hyperplastischen Zustand über, der durch gute Verformbarkeit gekennzeichnet ist. Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesium und Magnesiumlegierungen sind gute Beispiele solcher Materialien. In vielen Fällen zeigen nach der vorliegenden Erfindung verformte Materialien auch eine geringe Rückfederungsneigung, bei welcher ein verformtes Material die Tendenz besitzt, in seinen ursprünglichen, unverformten Zustand zurückzukehren. Es ist deshalb oft nicht notwendig, während des Verformungsvorgangs für eine Kompensation der Rückfederung zu sorgen.
Die den Aktuator 30 betätigende Steuerung kann auch so gestaltet sein, daß sie den Aktuator in einem Induktionsheizverfahren betreibt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Spannungs- und Stromprofile so gewählt sind, daß sie den Aktuator selbst und durch Induktion das Blech 50 aufheizen. Wenn einmal die Aufheizung auf eine geeignete Temperatur stattgefunden hat, kann die Aktuatorsteuerung so eingestellt werden, daß sie den Aktuator nach dem oben beschriebenen elektromagnetischen Verformungsverfahren betreibt. Auf diese Weise kann durch Vorheizung des Blechs 50 die vorliegende Erfindung benutzt werden, um Materialien zu verformen, die sich andernfalls nicht für eine unbeheizte oder kalte elektromagnetische Verformung eignen würden. Die Spannungs- und Stromprofile und die Dauer des Induktionsheizverfahrens sollten ausreichend sein, um die Temperatur des Blechs 50 auf eine Temperatur anzuheben, bei der das betreffende Material deutlich fließfähiger wird. Beispielsweise, nur zur Erläuterung und nicht einschränkend zu verstehen, kann die Temperatur des Blechs 50 etwa auf die Hälfte seiner absoluten Schmelztemperatur angehoben werden. Das elektromagnetische Verformungsverfahren sollte auf das Induktionsheizverfahren folgen, bevor sich das Material unter eine geeignete Verformungstemperatur abkühlt. Beispielsweise und nur zur Erläuterung sollte im Falle von Magnesium und Magnesiumlegierungen das Induktionsheizverfahren ausreichen, die Temperatur des Magnesiums oder der Magnesiumlegierung über 200°C anzuheben.
Das durch den Aktuator 30 erzeugte pulsierende Magnetfeld induziert im Blech 50 Wirbelströme: Der leitfähige Rahmen 40 bildet einen Rückflußweg 42 für die im Blech 50 bei Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators 30 induzierten Wirbelströme. Wie in 1 gezeigt, definiert der Wirbelstromrückflußweg 42 einen Kreis, der Teile des Blechs 50 und des Rahmens 40 umfaßt. Das Blech 50 und der leitfähige Rahmen 40 können so gestaltet sein, daß der Wirbelstromrückflußweg 42 und der durch den elektromagnetischen Aktuator 30 definierte elektrische Strompfad 32 einander entgegengesetzt verlaufende Schleifen darstellen. Beispielsweise, wenn, wie in 1 gezeigt, der Aktuator 30 eine schraubenförmige Spule mit im wesentlichen rechtwinkligem Querschnitt umfaßt, kann der Rahmen 40 als eine Hülle gestaltet sein, die die Spule so abgrenzt, daß die entgegengesetzt verlaufenden Stromschleifen über eine Mehrzahl zueinander paralleler Querschnitte der Vorrichtung 10 verlaufend definiert werden. Auf diese Weise spiegelt der Wirbelstromrückflußweg 42 einen Querschnitt des elektrischen Strompfads 32 wider, der durch den elektromagnetischen Aktuator 30 definiert wird. In Fällen, in denen es unmöglich ist, den Wirbelstromrückflußweg 42 so zu gestalten, daß er den elektrischen Strompfad 32 in der in 1 dargestellten Weise widerspiegelt, ist es ausreichend, sicherzustellen, daß das Blech 50 und der Rahmen 40 so gestaltet sind, daß wesentliche Teile des Wirbelstromrückflußweges 42 entsprechende Abschnitte des durch den Aktuator 30 definierten Strompfades 32 widerspiegeln.
Die entsprechenden Beiträge des leitfähigen Rahmens 40 und des Blechs 50 zu dem durch den Wirbelstromrückflußweg 42 definierten Gesamtkreis können sich auch in Abhängigkeit von den jeweiligen besonderen Betriebsanforderungen der Blechumformungsvorrichtung 10 ändern. Der leitfähige Rahmen 40 kann so gestaltet werden, daß er eine Mehrheit des Kreises umfaßt, der durch den Wirbelstromrückflußweg 42 definiert wird. Auf diese Weise kann, wenn der elektrische Widerstand pro Längeneinheit des Blechs 50 größer ist als der elektrische Widerstand pro Längeneinheit des Rahmens 40, die Gesamtwirkung des Blechs 50 auf den elektrischen Widerstand des Rückflußweges 42 minimiert werden. Deshalb kann die erfindungsgemäße Blechumformungsvorrichtung für die elektromagnetische Verformung von Blechen mit einer relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit benützt werden.
Der leitfähige Rahmen 40 ist außerdem so gestaltet, daß er das Blech 50 festhält und eine Verformung des Blechs 50 gegen die profilierte Oberfläche 22 gestattet, wenn der elektromagnetische Aktuator 30 aktiviert wird. Die Richtung der abstoßenden Kraft F_r und eine teilweise verformtes Tafel 50' sind in 1 dargestellt. Der leitfähige Rahmen 40 und der gesenkartige Abschnitt 20 definieren jeweils einander gegenüberliegende Abschnitte 24, 44, die gestaltet sind, um einen Randbereich des Blechs 50 zwischen sich zu ergreifen, während sie sicherstellen, daß ein verbleibender Bereich des Blechs 50 im wesentlichen frei ist, um sich, ansprechend auf die abstoßende Kraft, in Richtung auf die profilierte Oberfläche 22 zu bewegen. Es ist beabsichtigt, daß die das Blech 50 erfassenden Abschnitte 24, 44 so gestaltet sind, daß sie in Abhängigkeit von deren jeweils vorgegebener, besonderen Gestaltung weniger als den gesamten Rand des Blechs 50 oder im wesentlichen den gesamten Umfangsrand des Blechs 50 erfassen. In jedem Fall sind der leitfähige Rahmen 40 und der gesenkartige Abschnitt 20 so gestaltet, daß sie eine bemerkenswerte Pressung des Blechs 50 zwischen den das Blech ergreifenden Abschnitten 24, 44 ermöglichen. Der geeignete Betrag der Pressung wird bestimmt durch eine Bevorzugung eines zuverlässigen elektrischen Kontakts zwischen dem Blech 50 und dem Rahmen 40.
Um eine ausreichende Klemmung des Blechs 50 zu bewirken, kann die Vorrichtung 10 weiter eine Preßvorrichtung umfassen, die schematisch unter Bezugnahme auf die Richtungspfeile P in 1 dargestellt und so gestaltet ist, daß sie eine Druckkraft auf die zwischen dem leitfähigen Rahmen 40 und dem gesenkartigen Abschnitt 20 festgehaltenen Blech 50 ausübt. Es wird typischerweise vorteilhaft sein, sicherzustellen, daß die Klemmkraft die abstoßende elektromagnetische Kraft zwischen dem Aktuator 30 und dem Blech 50 zumindest um eine Größenordnung oder um einen Betrag übersteigt, die ausreichend sind, um im wesentlichen gleichbleibende Bedingungen für den elektrischen Kontakt zwischen dem Blech 50 und dem leitfähigen Rahmen 40 sicherzustellen, wenn der elektromagnetische Aktuator 30 zyklisch von einem aktiven auf einen inaktiven Zustand übergeht.
Es wird angestrebt, daß der leitfähige Rahmen 40 aus einem beliebigen Material aus einer Gruppe verschiedener Materialien ausgebildet ist, die Metalle und Metallegierungen umfaßt, aber nicht auf sie beschränkt ist, die durch hohe elektrische Leitfähigkeit gekennzeichnet sind, die für guten elektrischen Kontakt sorgt, und die nicht zur übermäßigen Funkenbildung oder zur elektrischen Lichtbogenbildung neigen. Aluminium, Kupfer, Gold und deren Legierungen sind Beispiele geeigneter Kandidaten.
Die erfindungsgemäße Blechumformungsvorrichtung 10 ist für den Gebrauch bei unterschiedlichen Anwendungen bzw. in unterschiedlichen Zusammenhängen geeignet, wie beispielsweise der Herstellung von Strömungsfeldplatten (flow field plates) für die Ausbildung von Brennstoffzellen. Unter Bezugnahme auf 2 umfassen Strömungsfeldplatten 60 für Brennstoffzellen typischerweise ein Netz von darin eingeformten Strömungskanälen 65, wie dem Fachmann auf dem Gebiet der Brennstoffzellenkonstruktion und -gestaltung bekannt ist. Das Netz der Strömungskanäle 65 ist typischerweise gleichmäßig über einen größeren Teil der Strömungsfeldplatte 60 verteilt. Oft bildet das Netz der Strömungskanäle 65 einen schlangenlinienförmigen oder einen teilweise schlangenlinienförmigen Pfad auf einer Oberfläche der Strömungsfeldplatte 60. Das Netz der Strömungskanäle 65 umfaßt ebenso typisch eine Mehrzahl von Versorgungseingängen 62, die mit einer gemeinsamen Versorgungsverzweigung 64 in Verbindung stehen, und eine Mehrzahl von Auslaßöffnungen, die mit einer gemeinsamen Auslaßverzweigung 68 verbunden sind. Das Netz der Strömungskanäle 65 dient der Versorgung des Strömungsfelds der Brennstoffzelle mit Reaktanten und der Entsorgung von Reaktionsprodukten aus dem Strömungsfeld. Die Gestaltung des Strömungsfelds gestattet einen solchen Transport der Reaktant-Gase, daß der gesamte aktive Bereich der entsprechenden Brennstoffzellenelektrode gleichmäßig mit einem sehr geringen Druckabfall des Reaktant-Gases versorgt werden kann.
Bezugnehmend auf 1 ist die vorliegende Erfindung gut geeignet für die Bildung von Strömungsfeldplatten von Brennstoffzellen, weil sie in der Lage ist, Strömungskanäle zu bilden, die gekennzeichnet sind durch eine Strömungskanaltiefe d, die deutlich größer ist als die Dicke t des Blechs 50. Im Zusammenhang mit Brennstoffzel len liegt eine typische Dicke t des blechartigen Materials unterhalb von etwa 1 mm, während die Strömungskanaltiefe d mehrfach größer sein kann als die Dicke t des Blechs 50. Es wird erwartet, daß die vorliegende Erfindung in der Lage ist, Strömungsfeldplatten zu liefern, mit einer deutlich größeren Tiefe der Strömungskanäle als bei jenen, die durch herkömmliche Formpreßtechniken erhalten werden.
Es wird weiter erwartet, daß die vorliegende Erfindung insbesondere gut geeignet ist für den Gebrauch mit Blechen für Brennstoffzellen, wegen ihrer Brauchbarkeit in Bezug auf leichtgewichtige, korrosionsbeständige und undurchlässige Materialien, die auf andere Weise gegen eine profilierte Gesenkoberfläche verformbar sind, d.h. durch Formpressen oder auf andere Weise. Beispiele solcher Materialien schließen Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen, usw. ein, ohne darauf beschränkt zu sein. Die vorliegende Erfindung ist auch gut geeignet für den Gebrauch mit hochfesten und rostfreien Stahlblechen. Viele dieser Brennstoffzellenmaterialien sind einfach nicht gut für die herkömmliche Verformung gegen eine profilierte Gesenkoberfläche geeignet, können aber unter Anwendung der vorliegenden Erfindung verformt werden, weil die erfindungsgemäße Tafelumformungsvorrichtung 10 mit einem elektromagnetischen Aktuator versehen ist, der mit Formänderungsfolgen von etwa 1 × 10³ sec^–1 oder wenigstens etwa 100 sec^–1 und Blechgeschwindigkeiten von über 50 m/s betrieben werden kann.
Das Gewicht der Komponenten und Materialien ist oft ein primärer Gesichtspunkt im Zusammenhang mit Brennstoffzellen und bei anderen Anwendungen. Obwohl die vorliegende Erfindung geeignet ist für die Anwendung bei Materialen mit geringer und hoher Dichte, ist sie insbesondere gut geeignet für die Herstellung leichtgewichtiger, verformter Blechkomponenten, weil sie fähig ist, Bleche mit relativ geringer Dichte zu verformen, die durch konventionelle Formgebungsverfahren nicht erfolgreich verformbar sind. Beispielsweise ist die vorliegende Erfindung gut geeignet zur Umformung von Metallegierungen mit Dichten unter etwa 5 g/cm³ – wesentlich geringer als jene von Kohlenstoffstahl, rostfreiem Stahl, Gußeisen, Schmiedeeisen, Temperguß und anderen Materialien vergleichbarer Dichte. Beispielsweise ist gewalztes Aluminium 3003 durch eine Dichte von etwa 2,73 g/cm³ gekennzeichnet, während rostfreier Stahl (Typ 304) durch eine Dichte von etwa 8,02 und Kohlenstoffstahl durch eine Dichte von etwa 7,86 g/cm³ gekennzeichnet ist.
Unter Bezugnahme auf 3 ist zu beachten, daß die vorliegende Erfindung auch derart angewandt werden kann, daß sie ein Zielblech 50a mit relativ geringer Leitfähigkeit und ein Treibblech 50b mit relativ hoher Leitfähigkeit verwendet. Das Treibblech 50b wird zwischen dem Zielblech 50a und dem elektromagnetischen Aktuator 30 eingefügt. Das Zielblech 50a ist zwischen dem Treibblech 50 und der profilierten Gesenkoberfläche 22 eingefügt. Die auf das leitfähige Treibblech 60b übertragene, abstoßende Kraft wird durch einfachen mechanischen Kontakt auf das Zielblech 50a übertragen. Auf diese Weise kann die Blechumformungsvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung so ausgestaltet werden, daß sie Bleche, d.h. Zielbleche 50a, verformt, die über keine ausreichende Leitfähigkeit aufweisen, um auf andere Weise durch elektromagnetische Formgebung verformt zu werden.
Es wird darauf hingewiesen, daß Ausdrücke wie „vorzugsweise", „im allgemeinen" und „typisch" hier nicht benutzt werden, um den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder anzudeuten, daß gewisse Merkmale beachtlich, wesentlich oder sogar wichtig für die Konstruktion oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr werden diese Ausdrücke nur in der Absicht gebraucht, alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die bei einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt oder nicht angewandt werden können.
Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung ist festzuhalten, daß der Ausdruck „im wesentlichen" benutzt wird, um den anhaftenden Grad an Unsicherheit zum Ausdruck zu bringen, der jeder Art von quantitativem Vergleich, Wert, Messung oder anderer Darstellung zukommt. Der Ausdruck „im wesentlichen" wird hier auch benutzt, um den Grad anzuzeigen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Bezugsgröße abweichen kann, ohne eine Veränderung der Funktion des betroffenen Gegenstands zur Folge zu haben.
Nachdem die Erfindung im Detail und unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, wird ersichtlich, daß Abwandlungen und Veränderungen möglich sind, ohne den in den angefügten Ansprüchen definierten Schutzbereich zu verlassen. Insbesondere wird davon ausgegangen, daß die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft identifiziert sind.
QUERVERWEIS
Wegen weiterer Einzelheiten wird in vollem Umfange auf die parallele deutsche Patentanmeldung derselben Anmelderin (als Mitanmelderin) vom heutigen Tage mit dem Titel „Elektromagnetische Formgebung von Platten für Brennstoffzellen" („Electromagnetic formation of fuel cell plates"), eingereicht unter dem Zeichen 16/OS11K02/DE, verwiesen und vollinhaltlich Bezug genommen.

Claims

Vorrichtung zur Umformung einer Tafel bzw. eines Blechs, wobei die Vorrichtung einen Gesenkabschnitt, einen elektromagnetischen Aktuator und einen leitfähigen Rahmen umfaßt, und bei welcher der Gesenkabschnitt eine profilierte Oberfläche definiert, der elektromagnetische Aktuator gegenüber der profilierten Oberfläche des Gesenkabschnitts angeordnet ist und der leitfähige Rahmen so gestaltet ist, daß er die Tafel bzw. 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 bzw. des Blechs gegen die profilierte Gesenkoberfläche gestattet und einen Rückflußweg für bei Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators in der Tafel bzw. dem Blech induzierte Wirbelströme definiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Wirbelstromrückflußweg einen Kreis definiert, der wenigstens einen Abschnitt der Tafel bzw. des Blechs und wenigstens einen Abschnitt des leitfähigen Rahmens umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher einander entsprechende Ausgestaltungen des leitfähigen Rahmens und des dem Kreis zugeordneten Abschnitts der Tafel bzw. des Blechs so beschaffen sind, daß dieser Abschnitt der Tafel bzw. des Blechs den Abschnitt des Kreises definiert, der pro Längeneinheit den größeren Widerstand aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der leitfähige Rahmen so gestaltet ist, daß er den größeren Teil dieses durch den Wirbelstromrückflußweg und die Tafel bzw. das Blech definierten Kreises definiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Tafel bzw. das Blech und der leitfähige Rahmen so gestaltet sind, daß der Wirbelstromrückflußweg und ein durch den elektromagnetischen Aktuator definierter Strompfad in einer Mehrzahl von Querschnitten der Vorrichtung einander entgegengesetzt verlaufende Stromschleifen definieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher der Wirbelstromrückflußweg und ein durch den elektromagnetischen Aktuator definierter elektrischer Strompfad einander entgegengesetzt verlaufende Stromschleifen in zueinander parallelen Querschnittsabschnitten im größeren Teil der Vorrichtung definieren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher wesentliche Abschnitte des Kreises des Wirbelstromrückflußweges entsprechende Abschnitte eines durch den elektromagnetischen Aktuator definierten elektrischen Strompfads widerspiegeln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der leitfähige Rahmen und die Tafel bzw. das Blech eine Hülle definieren, die einen wesentlichen Teil des elektromagnetischen Aktuators einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher der durch den leitfähigen Rahmen und die Tafel bzw. das Blech definierte Wirbelstromrückflußweg eine Schleife durch einen Querschnitt dieser Hülle bildet, der im allgemeinen rechtwinklig zu dieser Tafel bzw. diesem Blech verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der leitfähige Rahmen und der Gesenkabschnitt so gestaltet sind, daß sie das Zusammendrücken der Tafel bzw. des Blechs zwischen entsprechenden Greifabschnitten des leitfähigen Rahmens und des Gesenkabschnitts gestatten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der elektromagnetische Aktuator derart ausgebildet ist, daß er sich zur Beheizung der Tafel bzw. des Blechs durch Induktion eignet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Vorrichtung weiter eine Steuerung des Aktuators umfaßt, die so gestaltet ist, daß der Aktuator in einem Induktionsheizbetrieb betätigbar ist, der durch Spannungs- und Stromprofile gekennzeichnet ist, die so ausgewählt sind, daß sie die Tafel bzw. das Blech durch Induktion beheizen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Vorrichtung weiter eine Steuerung des Aktuators umfaßt, die so gestaltet ist, daß der Aktuator in einem elektromagnetischen Formgebungsbetrieb betätigbar ist, der durch Spannungs- und Stromprofile gekennzeichnet ist, die so ausgewählt sind, daß sie eine rückstoßende Kraft zwischen dem Aktuator und der Tafel bzw. dem Blech erzeugen, mit ausreichender Intensität zur Verformung der Tafel bzw. des Blechs gegen die profilierte Gesenkoberfläche.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Vorrichtung weiter eine Steuerung des Aktuators umfaßt, die so gestaltet ist, daß sie geeignet ist, den Aktuator in einem Induktionsheizbetrieb zu betätigen, der durch Spannungs- und Stromprofile gekennzeichnet ist, die so ausgewählt sind, daß die Tafel bzw. das Blech durch Induktion beheizt wird, geeignet ist, den Aktuator in einem elektromagnetischen Formgebungsbetrieb zu betätigen, der durch Spannungs- und Stromprofile gekennzeichnet ist, die so ausgewählt sind, daß eine rückstoßende Kraft zwischen dem Aktuator und der Tafel bzw. dem Blech erzeugt wird, mit ausreichender Intensität zur Verformung der Tafel bzw. des Blechs gegen die profilierte Gesenkoberfläche.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher diese Spannungs- und Stromprofile des Induktionsheizbetriebs und des elektromagnetischen Formgebungsbetriebs in einem Ausmaß festgelegt sind, das beim Induktionsheizbetrieb der Vorrang des Heizens vor dem Verformen und beim Formgebungsbetrieb den Vorrang des Verformens vor dem Heizen sicherstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei welcher die Dauer des Induktionsheizbetriebs ausreichend ist, um eine Temperatur der Tafel bzw. des Blechs in einen Bereich oberhalb etwa der Hälfte des absoluten Schmelzpunktes der Tafel oder des Bleches liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Vorrichtung weiter eine Preßvorrichtung umfaßt, die geeignet ist, auf die bzw. das in einer Position zwischen dem leitfähigen Rahmen und dem Gesenkabschnitt festgehaltene Tafel bzw. Blech eine Druckkraft auszuüben.
Verfahren zur Verformung einer Tafel bzw. eines Blechs unter Verwendung einer Vorrichtung, die einen Gesenkabschnitt, einen elektromagnetischen Aktuator und einen leitfähigen Rahmen umfaßt, bei welchem der Gesenkabschnitt eine profilierte Oberfläche definiert, der elektromagnetische Aktuator gegenüber der profilierten Oberfläche des Gesenkabschnitts angeordnet ist und der leitfähige Rahmen so gestaltet ist, daß er die Tafel bzw. das Blech in einer Position zwischen dem elektromagnetischen Aktuator und der profilierten Gesenkoberfläche derart in elektrischem Kontakt mit dem leitfähigen Rahmen hält, daß bei Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators eine Verformung dieser Tafel bzw. dieses Blechs gegen die profilierte Gesenkoberfläche möglich ist, und daß ein Rückflußweg für in der Tafel bzw. dem Blech durch die Aktivierung des elektromagnetischen Aktuators erzeugte Wirbelströme definiert ist, und das Verfahren folgende Schritte umfaßt: Betreiben des Aktuators in einem Induktionsheizbetrieb, der durch Spannungs- und Stromprofile gekennzeichnet ist, die so ausgewählt sind, daß die Tafel bzw. das Blech durch Induktion beheizt wird, und Betreiben des Aktuators in einem elektromagnetischen Formgebungsbetrieb, der durch Spannungs- und Stromprofile gekennzeichnet ist, die so ausgewählt sind, daß eine rückstoßende Kraft zwischen dem Aktuator und der Tafel bzw. dem Blech erzeugt wird, mit ausreichender Intensität zur Verformung der Tafel bzw. des Blechs gegen die profilierte Gesenkoberfläche.