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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Umformen, insbesondere
zum Abkanten, eines aus einem thermoplastischen Werkstoff bestehenden
Werkstückes,
mit einer Matrize, einem Umformwerkzeug und einer Einrichtung zum
Abkühlen des
Werkstückes.
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Eine
Möglichkeit,
bei einem Werkstück
aus einem faserverstärkten
Thermoplast eine abgewinkelte Geometrie zu erzeugen, besteht in
der drucklosen Erwärmung
des Werkstückes,
insbesondere in dem zu verformenden Bereich, z. B. in einem Infrarot-Strahlenfeld,
und dem anschließenden
Transport des Werkstückes
in ein Biegewerkzeug. Durch das Schließen des Werkzeuges wird der
schmelzflüssige Faser-Kunststoff-Verbund
des Werkstückes
der Werkzeugkavität
angepasst und nach dem Abkühlen des
Werkstückes
steht ein entsprechend der Werkzeugkavität umgeformtes bzw. abgekantetes
Bauteil zur Verfügung.
Die erzeugte Bauteilgeometrie ist also werkzeugspezifisch.
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Eine
weitere Möglichkeit
für die
Umformung von Werkstücken
aus Faser-Kunststoff-Verbundstrukturen besteht in deren Rollformen,
wobei das Werkstück
in mehreren Stufen mittels geheizter Rollen umgeformt wird. Mit
diesem Umformverfahren können
zwar Bauteile mit einer Abwinklung hergestellt werden, allerdings
ist diese an die Profilgeometrie der Rollen angepasst.
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Im
Weiteren ist die Herstellung von Bauteilprofilen mit einer Abwinklung
mittels einer Intervall-Heizpresse bekannt, wobei die Geometrie
der Bauteile von der Laufrichtung der Presse abhängig ist. Darüber hinaus
können
auch abgewinkelte Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden durch die Verwendung von Heizdrähten erzeugt
werden, durch die der Faser-Kunststoff-Verbund berührungslos
lokal erwärmt
wird. Das dafür
erforderliche präzise
Positionieren der Heizdrähte,
die vor dem Umformen entfernt werden müssen, ist jedoch aufwändig.
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Aus
der
DE 10 2004
046 516 A1 ist ein Verfahren zum Umformen von einem aus
einem thermoplastischen Kunststoff gebildeten Halbzeug bekannt, bei
dem das Aufheizen des Halbzeugs durch ein in Bezug auf das Halbzeug
zustellbares Heizluftgebläse
erfolgt und das ebenfalls in Bezug auf das Halbzeug zustellbare
Umformwerkzeug wassergekühlt
ist und aus einem so genannten Edelstahl besteht. Die Durchführung dieses
Verfahrens ist mit einem erheblichen Kostenaufwand verbunden.
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Die
CH 423 202 A zeigt
ein Verfahren, bei dem ein Werkstück aus einem Blech unter Druckbeaufschlagung
durch Anlegen eines Umformwerkzeuges abgekantet und anschlie ßend abgekühlt wird, wobei
die Umformung mittels eines Stempels und einer Matrize vorgenommen
wird.
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Darüber hinaus
beschreibt die
DE 38
07 040 A1 einen beheizbaren Stempel zur Umformung von Werkstücken aus
Kunststoff.
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Ferner
offenbart die
DD 253
787 A1 die Umformung von Schichtpressstoffen nach ihrer
Plastifizierung mittels Formen und Gegenformen. Das zu verformende
Werkstück
niederdrückende
Formelemente und zugeordnete Gegenformelemente sind zur schnellen
Verfestigung des Werkstückes
mit Kühlelementen
ausgestattet. Analoge Ausgestaltungen von Formwerkzeugen, die zu ähnlichen
Zwecken verwendet werden, sind der
DE 1 159 629 B und der
DE 2 041 808 A zu entnehmen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genanten
Art zu schaffen, die eine schnelle und kostengünstige Serienanwendung ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass
- – das
Umformwerkzeug und die Einrichtung zum Abkühlen des Werkstückes als
eine selbständig handhabbare
Baugruppe zur Beaufschlagung des Werkstückes mit Druck ausgebildet
sind, wobei
- – das
Umformwerkzeug erhitzbar ausgebildet und in einen wärmeübertragenden
Kontakt mit der Einrichtung zum Abkühlen des Werkstückes verfahrbar
ist und
- – die
Einrichtung zum Abkühlen
des Werkstückes als
ein zweiter Stempel mit einer als wärmeleitende Fläche ausgeführten Unterseite
ausgebildet ist, die mit einer ebenfalls als eine wärmeleitende Fläche ausgelegten
Oberseite eines ersten Stempels in einen wärmeübertragenden Kontakt verfahrbar
ist.
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Durch
das Erwärmen
und Abkühlen
des Werkstückes
unter Druck ist es möglich,
die Taktzeiten beim Umformen, insbesondere Abkanten, des Werkstückes wesentlich
zu reduzieren. Die zu erzielende Geometrie des Werkstückes ist
im Wesentlichen von der Formgebung der Matrize und des dazu korrespondierenden
Umformwerkzeuges abhängig. Um
ein optimal umgeformtes Werkstück
zu fertigen, wird das Umformwerkzeug bis über die Erweichungstemperatur,
insbesondere kurz oberhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffes
des Werkstückes,
insbesondere des thermoplastischen Matrixmaterials, erhitzt. Zur
Erzielung eines schnell wirksamen Abkühlens des Werkstückes erfolgt
das Abkühlen
des Werkstückes
durch eine wärmeübertragende Verbindung
des Umformwerkzeugs mit einer Einrichtung zum Abkühlen des
Werkstückes
auf eine unter der Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffes
liegende Temperatur. Durch diese Abkühlung wird die Haltezeit zum
Erkalten des thermoplastischen Kunststoffes reduziert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zeichnet sich durch einen einfachen konstruktiven Aufbau aus und
ermöglicht
dennoch das an sich schwierige Umformen von Werkstücken aus
einem faserverstärkten Thermoplast.
Insbesondere durch die Druckbeaufschlagung des Werkstückes wird
ein relativ hoher Wirkungsgrad der Vorrichtung erreicht. Die für den Umformvorgang
erforderliche Temperatur des thermoplastischen Kunststoffes wird
dadurch erreicht, dass das Umformwerkzeug erhitzbar ausgebildet und
in einen wärmeübertragenden
Kontakt mit der Einrichtung zum Abkühlen des Werkstückes verfahrbar
ist. Durch diese Anordnung ist ein bauraumoptimierter Aufbau der
Vorrichtung erreicht. Damit eine besonders kompakt bauende Vorrichtung
zum Umformen von Werkstücken
mit einer vorteilhaften Wärmebilanz
zur Verfügung
gestellt wird, ist die Einrichtung zum Abkühlen des Werkstückes als
ein zweiter Stempel ausgeführt,
dessen Unterseite als eine wärmeleitende
Fläche
ausgeführt,
die mit einer Oberseite eines ersten Stempels, die ebenfalls als
eine wärmeleitende
Fläche
ausgebildet ist, in einen wärmeübertragenden
Kontakt verfahrbar ist.
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Zur
Beaufschlagung des Werkstückes
mit Druck sind zweckmäßigerweise
Mittel vorgesehen, die eine Hin- und Herbewegung der Baugruppe in
der zur Auflageebene des Werkstückes
auf der Matrize senkrechten Richtung ermöglichen. Vorzugsweise sind
die Mittel als pneumatische oder hydraulische Anpresszylinder ausgeführt. Alternativ
dazu sind die Mittel als mindestens eine auf einen Wert des aufzubringenden
Druckes einstellbare Druckfeder ausgeführt. Selbstverständlich ist
auch die Verwendung von Gasdruckfedern oder sonstigen elastischen
Elementen denkbar. Der Biege- bzw. Umformvorgang des Werkstückes erfolgt
durch die Relativbewegung der erwähnten Baugruppe gegenüber der
Matrize, die dabei ortsfest in einem Maschinenrahmen angeordnet
ist. Selbstverständlich
besteht auch die Möglichkeit,
sowohl die Baugruppe als auch die Matrize während des Biegevorgangs zu
bewegen.
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Um
sicher zu stellen, dass während
des gesamten Umformvorgangs eine Wärmezufuhr erfolgt und der gesamte
Querschnitt des umzuformenden Werkstückes erhitzt bleibt, ist zweckmäßigerweise
im Umformwerkzeug eine Wärmequelle,
insbesondere ein elektrisches Heizelement, integriert.
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Vorteilhafterweise
ist das Umformwerkzeug als ein erster Stempel ausgebildet, dessen
Unterseite einen im Querschnitt halbkreisförmigen Biegebereich aufweist,
dessen Radius einem gewünschten Biegeradius
entspricht. Durch die Auslegung des Umformwerkzeuges für einen
bestimmten Abkantradius können
Bauteile unterschiedlicher Größe und Länge hergestellt
werden. Selbstverständlich
ist der Biegeradius der Matrize an den Radius des Stempels angepasst.
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In
zusätzlicher
oder alternativer Ausgestaltung ist der Biegebereich des ersten
Stempels mit einer Längsaussparung
versehen. Durch diese Maßnahme
wird erreicht, dass insbesondere beim Abkanten von so genannten
Organoblechen die an der Innenseite entstehenden Falten konsolidiert
werden und an der Innenseite der Organobleche reproduzierbare Eigenschaften
vorhanden sind.
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Bei
der Halbzeugherstellung werden verschiedene Gewebe, Gelege und Gewirke
aus Glas-, Carbon- oder Aramid-Fasern als Verstärkungen in einer thermoplastischen
Matrix verwendet. In einem Pressprozess wird die textile Verstärkung mit
dem thermoplastischen Matrixwerkstoff getränkt, so dass jedes Faserfilament
vollständig
in der Matrix eingelagert ist. Derart vollständig imprägnierte und konsolidierte Halbzeuge
besitzen ein hohes mechanisches Eigenschaftsniveau und können in
kurzen Zykluszeiten weiterverarbeitet werden. Diese Halbzeuge werden
im Sinne der Erfindung als Organobleche bezeichnet.
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Um
den Wärmeverlust
des ersten Stempels zum gekühlten
zweiten Stempel zu minimieren, ist bevorzugt der erste Stempel in
dem zweiten Stempel mittels insbesondere durch Keramikstifte gebildeten Führungselementen
verschiebbar gelagert. Die Führungselemente
können
auch aus einem beliebigen anderen Material gefertigt sein, das eine
relativ geringe Wärmeleitfähigkeit
aufweist.
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Zur
Erzielung einer wirksamen Kühlung
der abzukantenden Werkstücke
und zur Herstellung formstabiler Bauteile umfasst die Einrichtung
zum Abkühlen
des Werkstückes
eine insbesondere kontinuierliche Flüssigkeits- und/oder Gaskühlung. Zur Kühlung sind
neben reinen Flüssigkeiten
bzw. Gasen auch Gemische aus Flüssigkeiten
und Gasen denkbar. Im Weiteren liefert eine kontinuierliche Kühlung zwar
eine exakte Temperaturführung,
dennoch kann aus fertigungstechnischen gründen auch eine diskontinuierliche
Kühlung
vorteilhaft sein.
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Für ein wirksames
Abkühlen
des Werkstückes
weist die Einrichtung zum Abkühlen
des Werkstückes
Kühlkanäle auf.
Ein Ventilator oder eine Druckluftquelle sind für die Gaskühlung vorgesehen.
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Zur
Erzielung einer direkten Wärmeabgabe von
der Wärmequelle
an das Umformwerkzeug bzw. den ersten Stempel besteht der erste
Stempel vorzugsweise aus einem leichten, wärmeleitfähigen Werkstoff, insbesondere
Aluminium. Damit die von dem zweiten Stempel erzeugte Kühlleistung
schnell an den ersten Stempel abgegeben werden kann, besteht der
zweite Stempel ebenfalls aus einem leichten, wärmeleitfähigen Werkstoff, insbesondere
Aluminium.
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Das
Umformen bzw. Abkanten des Werkstückes mit der vorbeschriebenen
Vorrichtung kann selbstverständlich
mittels einer entsprechenden Steuereinrichtung vollautomatisch ablaufen,
die die Bewegungen des Umformwerkzeuges, der gesamten Baugruppe
und der Werkstückauflage
sowie deren zeitlichen Abläufe
derart steuert, dass in Abhängigkeit
von der Art des Werkstückes
ein optimales Umformergebnis erreicht wird.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung
ist nur durch die Ansprüche
definiert.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
vereinfachte schematische Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in der Position einer Baugruppe zum Erhitzen eines Werkstückes,
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2 eine
vereinfachte schematische Darstellung einer Matrize der Vorrichtung
nach 1,
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3 eine
schematische Darstellung der Vorrichtung nach 1 in
der Position der Baugruppe zum Abkühlen des Werkstückes und
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4 eine
schematische Teildarstellung der Vorrichtung nach 3 zur
Bearbeitung von so genannten Organoblechen.
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Die
Vorrichtung zum Umformen bzw. Abkanten eines angedeuteten Werkstückes 3 aus
einem Faser-Kunststoff-Verbund
mit einem thermoplastischen Matrixmaterial umfasst beispielsweise
einen auf einer nicht gezeigten Grundplatte stehenden Maschinenrahmen
zur Halterung einer Matrize 2 und eines Umformwerkzeuges 4.
Auf der Matrize 2 ist ein aus dem faserverstärkten Thermoplast
bestehendes umzuformendes bzw. abzukantendes Werkstück 3 positioniert.
Am Maschinenrahmen sind das Umformwerkzeug 4 in Form eines
ersten Stempels 4a sowie eine Einrichtung 5 zum
Abkühlen
des Werkstückes 3 in
Form eines zweiten Stempels 5a derart angeordnet, dass
sie eine selbständig
handhabbare Baugruppe 6 bilden, die durch entsprechende
Beaufschlagung von zwei Anpresszylindern 7, 8 mit
pneumatischem Druck vertikal verfahren werden kann. Im zweiten Stempel 5a vorgesehene
Kühlkanäle 16, 17 dienen
dem Zu- sowie Abführen
eines flüssigen
Kühlmediums
zum Kühlen
des zweiten Stempels 5a, während im ersten Stempel 4a eine
Wärmequelle 11 integriert
ist, die als elektrisches Heizelement ausgeführt sein kann. Der untere Bereich
des ersten Stempels 4a bildet einen im Querschnitt halbkreisförmigen Biegebereich 12,
dessen Radius dem gewünschten
Abkantradius entspricht. Somit ist der erste Stempel 4a für einen
bestimmten Abkantradius ausgelegt und kann für Werkstücke 3 unterschiedlicher
Größe oder Länge eingesetzt
werden. Vorteilhafterweise besteht sowohl der erste Stempel 4a als
auch der zweite Stempel 5a aus einem wärmeleitfähigen Material, z. B. Aluminium.
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Der
erste Stempel 4a ist im zweiten Stempel 5a mittels
zweier Führungselemente 14, 15 verschiebbar
geführt
und befindet sich in vertikalem Abstand vom zweiten Stempel 5a.
Da die Führungselemente 14, 15 als
keramische Führungsstifte
ausgeführt
sind, findet zwischen beiden Stempeln 4a, 5a keine
nennenswerte Wärmeübertragung
statt, so dass dem ersten Stempel 4a praktisch keine Kühlleistung
vom zweiten Stempel 5a zugeführt wird. Zum Umformen des
Werkstückes 3 wird
der entsprechend erwärmte
erste Stempel 4a auf das auf der Matrize 2 aufliegende
Werkstückes 3 aufgelegt,
wodurch der thermoplastische Kunststoff bis über die Erweichungstemperatur,
insbesondere kurz oberhalb der Schmelztemperatur des Verbundwerkstoffes,
erhitzt wird. Durch eine anschließende Absenkung der Baugruppe 6 wird
das Werkstück 3 mit
Druck beaufschlagt und somit entsprechend der Geometrie des ersten
Stempels 4a und der Matrize 2 verformt.
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In
der in 3 gezeigten Position der Baugruppe 6 liegt
der erste Stempel 4a an den kontinuierlich gekühlten zweiten
Stempel 5a an, so dass eine Übertragung der vom zweiten
Stempel 5a bereit gestellten Kühlleistung auf den ersten Stempel 4a stattfindet.
Durch den Kontakt des im Werkstück 3 enthaltenen
thermoplastischen Kunststoffes mit dem abgekühlten ersten Stempel 4a bei
gleichzeitiger Druckbeaufschlagung gegen die Matrize 2 erstarrt
der Kunststoff, was zu einem formstabilen Werkstück führt.
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Beim
Abkanten von so genannten Organoblechen können an der Innenseite des
Werkstückes Falten
entstehen, weil die Organobleche nicht oder kaum plastisch verformbar
sind. Um die erwähnten Falten
zu konsolidieren, wird der in 4 dargestellte
Stempel 4a verwendet, der im Biegebereich 12 eine
Längsaussparung 13 aufweist.
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Im
Rahmen der Erfindung sind selbstverständlich Modifikationen denkbar.
So kann z. B. zur Kühlung
des zweiten Stempels 5a Gas bzw. Luft verwendet werden,
das bzw. die mittels eines Ventilators oder als Druckgas bzw. -luft
zugeführt
wird. Für
die Bewegung der Baugruppe 6 können die erwähnten Anpresszylinder 7, 8 durch
Druckfedern ersetzt werden, die an die beim Umformvorgang benötigten Druckwerte
angepasst sind.