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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zur Herstellung eines Blechbauteils, welches erwärmt in
einem Superplastic-Forming-Prozess umgeformt wird und an dem danach
wenigstens ein Schneidvorgang zur Herstellung von Körperkanten
durchgeführt wird.
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Des
Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten Blechbauteils.
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Blechbauteile,
insbesondere Kraftfahrzeugteile, werden überwiegend durch
Tiefzieh-, Stanz-, Biege- und/oder Rollvorgänge hergestellt.
Sie bestehen überwiegend aus Stahl, wobei in weiterentwickelten
Karosseriebauteilen auch Aluminium, Magnesium oder Kunststoffe oder
daraus hergestellte Verbundwerkstoffe zum Einsatz kommen. Zur Herstellung
komplizierter Bauteile bietet sich das Superplastic-Forming-Verfahren
an. Dies kommt insbesondere bei der Herstellung von Karosseriebauteilen zum
Einsatz, welche eine komplizierte Formgebung und damit einen hohen
Verformungsgrad aufweisen. Wirtschaftlich einsetzbar ist das Superplastic-Forming-Verfahren
insbesondere bei einer erhöhten Variantenvielfalt und einer
damit verbundenen relativ geringen Stückzahl. Das Superplastic-Forming-Verfahren
ist allerdings oftmals nicht derart exakt durchführbar,
dass nach dessen Durchführung die Ränder des herzustellenden
Blechbauteiles der gewünschten Endkontur beziehungsweise
den gewünschten Endmaßen entsprechen. Zur Herstellung
der Endkontur beziehungsweise Endmaße muss daher das im
Superplastic-Forming-Verfahren bearbeitete Werkstück beschnitten
werden.
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Das
Superplastic-Forming-Verfahren lässt sich mit Werkstoffen
durchführen, die im Vergleich zum normalplastischen Zustand
aufgrund einer extrem niedrigen Streckgrenze (Fließspannung)
ein sehr hohes Formänderungsvermögen aufweisen. Dafür
müssen diese Stoffe ein sehr homogenes und feinkörniges
Gefüge aufweisen, zum Beispiel mit einem Korndurchmesser
von < 10 μm.
Bei der Durchführung des Superplastic-Forming-Verfahrens
muss die Umformtemperatur im Werkstück höher sein
als die Hälfte der Schmelztemperatur des Werkstückes. Des
Weiteren lässt sich das Superplastic-Forming-Verfahren
nur mit kleinen Umformgeschwindigkeiten, zum Beispiel im Bereich
von 10 – 5 s–1 < φ . < 10 – 1
s–1, durchführen.
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Dadurch,
dass die Streckgrenze der verwendeten Werkstoffe extrem niedrig
ist, lassen sich Bauteile mit wesentlich höherem Umformgrad
herstellen, als dies im normalplastischen Werkstoffzustand möglich
ist.
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Das
Umformvermögen ist bei konventionellen Umformbedingungen
auf Bruchdehnungen im Bereich von 50% beschränkt, was einem
Umformgrad von φ ≈ 0,4 entspricht. Dagegen können
bei Anwendung des Superplastic-Forming-Verfahrens Dehnungen superplastischer
Blechwerkstoffe von bis zu 500% (φ ≈ 1,6) erreicht
werden.
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Zur
Durchführung des Superplastic-Forming-Verfahrens wird das
zu bearbeitende Blech zwischen zwei Druckkammern geklemmt und anschließend
mit einem Gasdruck beaufschlagt, der das Blech in eine als Kammer
ausgestaltete Matrize derart drückt, dass es sich an die
Kontur der Matrize anlegt und somit umgeformt wird. Die verringerte Streckgrenze
ergibt sich durch die Temperaturerhöhung im Werkstück.
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Es
lässt sich somit durch das Superplastic-Forming-Verfahren
eine komplexe Formgebung von Blechbauteilen bei relativ geringen
Werkzeug- beziehungsweise Anlagekosten realisieren.
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Wie
bereits erwähnt, muss zur Herstellung der Endkontur beziehungsweise
der Endmaße das Blechbauteil nach dem Superplastic-Forming-Verfahren
beschnitten werden. Das Beschneiden kann dabei Scherschneiden oder
Stanzen beziehungsweise Lochen umfassen. Das Scherschneiden weist
einen umformenden und einen trennenden Verfahrensanteil auf. Beim
Auftreffen des Stempels beziehungsweise der Schneide auf das Blech
findet zuerst eine elastische Durchbiegung des Bleches statt, welche bei
entsprechender größerer Beanspruchung in eine plastische
Verformung übergeht, die Risse verursacht, die zum Abtrennen
der Blechhälften voneinander führen. Einen wesentlichen
Einfluss auf die benötigten Schneidkräfte und
die Oberflächenqualität der Schnittkante haben
dabei der Werkstoff des Bleches, die Dicke des Bleches und die Geometrie
des Schneidspaltes. Die Fertigungsgenauigkeit verbessert sich bei
einem engeren Schneidspalt. Allerdings werden bei Anwendung eines
engen Schneidspaltes die Verformungen im Schneidspalt höher,
weswegen aufgrund einer stärkeren Kaltverfestigung höhere Schneidkräfte
zum Trennen des Materials benötigt werden. Weitere Faktoren,
die sich auf den Schneidprozess auswirken, sind die Scherfestigkeit
des Blechwerkstoffes, die Länge der Schnittlinie, die Länge
des Schneidspaltes sowie die Geometrie der Schnittlinie, der Verschleißzustand
und die Härte der Schneidwerkzeuge sowie der Schmierzustand
zwischen Blechwerkstoff und Schneiden.
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In
dem
koreanischen
Dokument 10 200000 47 008 A wird ein Blechwerkstoff zu
einem Halbzeug mechanisch vorgeformt und anschließend im
Superplastic-Forming-Prozess der Endformung unterzogen. Mit diesem
Verfahren lassen sich demzufolge nur Blechteile mit relativ großen
Endmaßtoleranzen herstellen, da im Superplastic-Forming-Prozess schon
aufgrund des Wärmeeintrages mit Verzug des Bauteils zu
rechnen ist.
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Eine
heutzutage übliche Technik zum Schneiden beziehungsweise
Beschneiden von Blechwerkstücken unter Umgehung der beim
mechanischen Schneidvorgang auftretenden Probleme, wie zum Beispiel
Kaltverfestigung, Schneidenverschleiß und hohen Anlagekosten,
ist die Wasserstrahlschneidtechnik, wie zum Beispiel in der
DE 10 2004 025 044
B3 beschrieben. Aufgrund der Behandlung mit Wasser weist
das zu schneidende Werkstück relativ geringe Temperaturen
auf.
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Zur
Herstellung der Endkonturen beziehungsweise der Endmaße
in Verbindung mit dem Superplastic-Forming-Prozess ist es außerdem
aus der
DE 197 14
631 A1 bekannt, einem zu verformenden Blechbauteil vor
Durchführung des Superplastic-Forming-Verfahrens mit einem
Laser oder mechanischen Schneidelementen eine Kontur zu geben, welche
nach Durchführung des Superplastic-Forming-Verfahrens der
Endkontur beziehungsweise den Endmaßen entspricht. Dieses
Verfahren birgt den Nachteil, dass relativ starke Abweichungen des Ist-Maßes
vom Soll-Maß bei Verformungen mit hohem Umformgrad aufgrund
des dabei möglicherweise unterschiedlichen Fließverhaltens
des Werkstückes je beanspruchtem Werkstückbereich
auftreten können. Das heißt, dass bei der in diesem
Dokument dargestellten Methode die Wahrscheinlichkeit relativ hoch
ist, dass nach dem Superplastic-Forming-Prozess Nachbearbeitungen
nötig sind, um exakte Endmaße zu erreichen.
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Wie
in der
DE 198 06 761
A1 dargestellt, bietet es sich also an, nach der Durchführung
des Superplastic-Forming-Verfahrens das Werkstück auf Endmaß zu
beschneiden. Es lassen sich somit Bauteile herstellen, die eine
komplexe Formgebung mit einem hohen Umformgrad mit Endmaßen
in sehr engen Toleranzbereichen aufweisen. Insbesondere derartige
Bauteile lassen sich vorteilhaft als hochwertige Karosseriebauteile
einsetzen. Nachteilig an dem in diesem Dokument dargestellten Verfahren
ist allerdings, dass aufgrund der nacheinander zu erfolgenden Bearbeitungsschritte
des Superplastic-Forming-Prozesses und des Beschneidens eine relativ hohe
Taktzeit benötigt wird, was sich ungünstig auf die
gesamte Fertigungszeit und damit auf die Fertigungskosten auswirkt.
Außerdem werden zur Durchführung der einzelnen
Verfahrensschritte mehrere Werkzeuge beziehungsweise Anlagen benötigt,
die relativ große Kräfte aufbringen müssen
und demzufolge einen erhöhten Energiebedarf aufweisen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Herstellung eines Blechbauteils zur Verfügung
zu stellen, mittels derer das Blechbauteil kostengünstig
und hinsichtlich der Fertigungszeit optimiert herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch
1 genannte Verfahren gelöst. Außerdem wird die
Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch
10 genannte Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 11 bis 19 angegeben.
Außerdem ist im Anspruch 20 die erfindungsgemäße
Verwendung eines herstellungsgemäßen Bauteils
genannt.
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Es
wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung
eines Blechbauteils zur Verfügung gestellt, welches erwärmt
in einem Superplastic-Forming-Prozess umgeformt wird und an dem
danach wenigstens ein Schneidvorgang zur Herstellung von Körperkanten
durchgeführt wird, wobei das Blechbauteil bei der Durchführung
des Schneidvorganges zumindest in einem Teilbereich eine Temperatur
aufweist, die höher ist als die Raumtemperatur, wobei diese
erhöhte Wärme zumindest teilweise dem Blechbauteil
zur Vorbereitung oder während des Superplastic-Forming-Prozesses
zugeführt wurde.
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Hinsichtlich
der Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses wird
hiermit auf die Merkmale des in der
DE 198 06 761 A1 offenbarten Verfahrens verwiesen,
so dass die Offenbarung dieses Dokuments als Teil der Beschreibung
der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Durchführung
des Superplastic-Forming-Verfahrens anzusehen ist.
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Das
Besondere bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ist, dass im Schneidprozess die Wärme des Blechbauteils,
welches diese im Superplastic-Forming-Prozess erhalten hat, ausgenutzt wird.
Die erhöhte Wärme ist dabei Wärmeenergie, die
dem Blechbauteil zugeführt wurde.
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Die
Erhöhung der Temperatur des Blechbauteils hängt
vom Maß der zugeführten Wärmemenge sowie
von der Masse und der spezifischen Wärmekapazität
des Blechbauteils ab. Da sich weder die Masse noch die spezifische
Wärmekapazität während des Superplastic-Forming- Prozesses ändert,
ist somit die Änderung der Temperatur des Bauteils proportional
zur Wärme, die in das Bauteil eingetragen wird. Die Temperatur
des Blechbauteils während des Schneidvorgangs liegt erfindungsgemäß über
der Raumtemperatur, also über der während des Schneidvorgangs
herrschenden üblichen Umgebungstemperatur. Das heißt,
dass der Beschnittprozess im warmen Zustand durchgeführt
wird. Auf diese Weise können die Schnittkräfte
herabgesetzt werden, da die Scherfestigkeit aufgrund der höheren Bauteiltemperatur
wesentlich verringert ist. Die Herabsetzung der Schnittkräfte
ermöglicht den Einsatz von Maschinen und Anlagen mit geringerer
Leistung, was sich vorteilhaft auf die Anlagekosten sowie den Energieverbrauch
auswirkt. Des Weiteren wird der Verschleiß der Schneidelemente
gemindert. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, dass die gesamte Taktzeit zur Herstellung des
Blechbauteiles verringert wird, da auf eine Verweildauer des Werkstückes
zwischen den Verfahrensschritten des Superplastic-Forming-Prozesses und
dem Beschneiden verzichtet wird.
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Der
Schneidvorgang kann sowohl den Ränderbeschnitt und/oder
das Stanzen oder Lochen des Blechbauteiles umfassen.
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Die
Temperatur des Blechbauteiles sollte dabei so hoch wie möglich
sein, das heißt, die Wärmeenergie aus dem Superplastic-Forming-Prozess
sollte maximal ausgenutzt werden. Dabei sollte wenigstens ein Teil
der im Blechbauteil vorhandenen Wärme beim Schneidvorgang
diesem bereits im Superplastic-Forming-Prozess eingetragen worden
sein. In dem Fall, in dem eine weitere Erwärmung zur Verringerung
der erforderlichen Schneidkräfte vorteilhaft ist, kann
diese zusätzliche Erwärmung auch durch weitere
Heizeinrichtungen durchgeführt werden. Das heißt,
dass zusätzlich zum im Superplastic-Forming-Prozess erfolgten
Wärmeeintrag vor dem Schneidvorgang ein weiterer Wärmeeintrag
vorgenommen werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass
wenigstens ein Schneidvorgang am Blechbauteil im Werkzeug zur Durchführung
des Superplastic-Forming-Prozesses erfolgt. Das heißt,
dass Schneiden oder Schneidstempel eines Schneidwerkzeuges in das
Superplastic-Forming-Werkzeug einfahren und das im Superplastic-Forming-Werkzeug
aufgenommene Blechbauteil am Ort seiner Verformung beschneiden oder lochen.
Der Vorteil dieser Verfahrensvariante ist, dass das Werkstück
nach seiner Verformung wenig Wärme bis zum Schneidvorgang
verliert, insbesondere keine Wärme durch Entnahme und Einlegen des
Werkstückes sowie Positionieren und Festspannen in einer
extra Schneideinrichtung verliert. Dass nach dem Schneidvorgang
im Superplastic-Forming-Werkzeug noch weitere Schneidvorgänge,
gegebenenfalls außerhalb des Superplastic-Forming-Werkzeuges,
vorgenommen werden, soll hierbei nicht ausgeschlossen werden.
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In
einer anderen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass der Schneidvorgang
am Blechbauteil nach Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses
außerhalb des Superplastic-Forming-Werkzeuges erfolgt.
Das bedeutet, dass das Werkstück nicht im Superplastic-Forming-Werkzeug
beschnitten oder gelocht wird, sondern dass der Schneidvorgang außerhalb
des Superplastic-Forming-Werkzeuges erfolgt, nämlich in
einer extra vorgesehenen Schneideinrichtung. Das Verfahren wird
hierbei aber derart durchgeführt, dass das Blechbauteil
beim Einlegen und Beschneiden in der Schneideinrichtung Restwärme
aufweist, die ihm im Superplastic-Forming-Prozess zugeführt
wurde.
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Das
heißt, dass das Verfahren derart ausgestaltet sein kann,
dass das Schneidwerkzeug in das Superplastic-Forming-Werkzeug einfährt
und das dort angeordnete Werkstück beschneidet oder dass das
Schneidwerkzeug das Blechbauteil in einer extra vorgesehenen Schneideinrichtung
beschneidet. Beiden Verfahrensvarianten ist gemeinsam, dass das Blechbauteil
bei der Durchführung des Schneidvorganges eine Temperatur
aufweist, die höher ist als die Umgebungstemperatur und
somit höher ist als eine Temperatur, die das Blechbauteil
bei vollständiger Abkühlung auf Umgebungsniveau
hätte. Die Vorteile des Verfahrens liegen wie bereits erwähnt
darin, dass das erwärmte Blechbauteil eine verringerte Scherfestigkeit
aufweist und somit die erforderlichen Schneidkräfte verringert
sind und die Taktzeit verkürzt werden kann.
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Es
kann das Verfahren dabei derart ausgestattet sein, dass die erhöhte
Temperatur des Blechbauteils beim Schneidvorgang zumindest teilweise durch
die Zuführung von Wärme aus einem ein Schneidwerkzeug
kontaktierenden Wärmespeicher bewirkt wird, wobei die Wärme
im Wärmespeicher ausschließlich aus der Wärme
eines Blechbauteils im Superplastic-Forming-Prozess gewonnen wird.
Insbesondere zur Durchführung der Verfahrensvariante, in
der das Blechbauteil im Superplastic-Forming-Werkzeug beschnitten
wird, ist somit der Wärmespeicher auch in unmittelbarer
Nähe zum Superplastic-Forming-Werkzeug angeordnet. Das
heißt, dass die vom Superplastic-Forming-Werkzeug während
des Superplastic-Forming-Prozesses abgegebene Wärme vom
Wärmespeicher gespeichert werden kann und zur Aufrechterhaltung
einer bestimmten erhöhten Temperatur des Blechbauteils
beim Schneidvorgang im Superplastic-Forming-Werkzeug dienen kann.
In der Verfahrensvariante, in der das Blechbauteil außerhalb
des Superplastic-Forming-Werkzeuges beschnitten wird, ist der Wärmespeicher
in unmittelbarer Nähe zu der extra vorgesehenen Schneideinrichtung angeordnet,
um die während des Superplastic-Forming-Prozesses gespeicherte
Wärmemenge während des Schneidvorganges an das
Blechbauteil abgeben zu können. Es kann allerdings auch
vorgesehen sein, dass der Wärmespeicher lediglich am Superplastic-Forming-Werkzeug
angeordnet ist, um, als Isolator wirkend, die Wärmeenergie,
die im Superplastic-Forming-Prozess freigesetzt wird, im Superplastic-Forming-Werkzeug
zu halten und somit zur Bearbeitung nachfolgender Blechbauteile
im Superplastic-Forming-Werkzeug zur Verfügung zu stellen.
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Aufgrund
der Anordnung des Wärmespeichers kann somit die Wärme,
die durch den Wärmespeicher in ein Blechbauteil während
des Schneidvorgangs an einem Bauteil eingetragen wird, nicht nur
aus dem Superplastic-Forming-Prozess zur Herstellung desselben Bauteils
stammen, sondern es kann auch Wärme sein, die bei der Bearbeitung
vorhergehender Blechbauteile in den Wärmespeicher eingetragen
wurde.
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Vorteilhafterweise
ist das Verfahren derart ausgestaltet, dass die im Blechbauteil
gespeicherte Wärme, die eine Temperaturdifferenz des Blechbauteils
zur Raumtemperatur bewirkt, dem Blechbauteil ausschließlich
im Superplastic-Forming-Prozess zugeführt wird. Das heißt,
dass auf die Anordnung einer weiteren Erwärmungseinrichtung
verzichtet wird, so dass sämtliche im Blechbauteil enthaltene
Wärme über Raumtemperatur aus dem Superplastic-Forming-Vorgang
stammt.
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Die
durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten
Blechbauteile sollten bevorzugt aus einem der Werkstoffe AZ31, AZ91, EN-AW-5754 oder EN-AW-5083 bestehen.
Das heißt, dass bevorzugt Magnesiumlegierungen wie AZ31
mit 3% Aluminium, 0,88% Zink, 0,33% Mangan und Rest Aluminium oder
auch AZ91 mit 9% Aluminium, 0,8% Zink und Rest Magnesium als Werkstoff
für das Blechbauteil eingesetzt werden sollten. Des Weiteren
lassen sich Aluminium-Legierungen wie zum Beispiel EN-AW-5754 mit
2,6% AlMg3, 3,4% Magnesium und dem Rest Aluminium oder auch EN-AW-5083 mit AlMg4,
5Mn0,7 im Bereich von 4–4,9% einsetzen.
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Vorteilhafterweise
sollte der Schneidvorgang am Blechbauteil bei einer Temperatur des
Blechbauteils erfolgen, die höher ist als die Raumtemperatur. Mit
Raumtemperatur ist hierbei eine durchschnittliche Umgebungstemperatur
von 18–20°C gemeint. Die sich durch die erhöhte
Temperatur des Blechbauteils ergebenden Vorteile wurden bereits
erwähnt, sie bestehen im Wesentlichen aus der verringerten
Scherfestigkeit des Blechwerkstoffes und somit des verringerten
Widerstandes gegen Eindringen der Schneiden in den Werkstoff. Dies
ermöglicht die Verringerung des Schneidspaltes und somit
eine bessere Oberflächenqualität der Schneidkante
sowie auch die Verringerung der Anlagekosten. Außerdem
wird die Taktzeit zur Herstellung des Blechbauteiles dadurch verringert,
dass keine Abkühlzeit nach dem Superplastic-Forming-Prozess
mehr benötigt wird. Das Blechbauteil sollte nach Durchführung
des Superplastic-Forming-Prozesses so wenig Wärme wie möglich
verlieren. Das heißt, dass das Werkstück beim
Schneidvorgang eine Temperatur aufweisen sollte, die ebenfalls,
wie bei der Durchführung des Superplastic-Forming-Verfahrens,
höher ist als die Hälfte der Schmelztemperatur
des Werkstoffes des Blechbauteils.
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Zur
energetisch optimierten Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist des Weiteren vorgesehen, dass während des
Abkühlens des Blechbauteils freigesetzte Wärme
durch eine Wärmepumpe aufgenommen wird und zumindest teilweise
dem Superplastic-Forming-Werkzeug und/oder einer Schneideinrichtung
zur Verfügung gestellt wird. Das heißt, dass die
vom Blechbauteil an die Umgebung abgegebene Wärme einer
Wärmepumpe zugeführt wird, die wiederum diese
Wärme an das Superplastic-Forming-Werkzeug weiterleitet,
damit weniger Energie zur Erwärmung des Superplastic-Forming-Werkzeuges
in dieses von außen eingetragen werden muss.
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In
der Verfahrensvariante, in welcher der Schneidvorgang im Superplastic-Forming-Werkzeug ausgeführt
wird, ist vorgesehen, dass die Förderung der vom Blechbauteil
abgegebenen Wärme durch die Wärmepumpe in das
Superplastic-Forming-Werkzeug erfolgt. Dasselbe lässt sich
auch bei der Schneideinrichtung vornehmen, in welcher extern das
erwärmte Blechbauteil beschnitten werden kann.
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Vorteilhafterweise
wird das erfindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt,
dass nach Abschluss des Superplastic-Forming-Prozesses im Superplastic-Forming-Werkzeug
der Niederhalter des Superplastic-Forming-Werkzeuges gegen ein Schneidwerkzeug
ausgetauscht wird und danach der Schneidvorgang am Blechbauteil
im Superplastic-Forming-Werkzeug mit dem Schneidwerkzeug vorgenommen
wird. Der Austausch des Niederhalters mit dem Schneidwerkzeug kann
mittels einer Wechseleinrichtung vorgenommen werden, welche das
Schneidwerkzeug an einer Matrize des Superplastic-Forming-Werkzeuges
platziert. Es reicht dabei aus, dass der Niederhalter des Superplastic-Forming-Werkzeuges
derart weit von der Superplastic-Forming-Matrize entfernt wird,
dass das Schneidwerkzeug in eine Position gelangen und in dieser
fixiert werden kann, von der aus der Schneidvorgang vorgenommen
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird
zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung des Blechbauteils
eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, welche eine Einrichtung
zur Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses mit
wenigstens einer formgebenden Matrize aufweist, wobei die Vorrichtung
des Weiteren ein Schneidwerkzeug umfasst, mittels dessen ein durch
das Superplastic-Forming-Werkzeug umgeformtes und in diesem aufgenommenes
Blechbauteil schneidbar ist. Mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist also die Verfahrensvariante ausführbar,
in der das Blechbauteil im Superplastic-Forming-Werkzeug beschnitten
wird.
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Das
Werkzeug zur Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses
umfasst vorteilhafterweise eine Matrize, an die sich das Blechbauteil
bei Druckbeaufschlagung konturenfolgend anlegt und somit dauerhaft
komplementär zur Kontur der Matrize umgeformt wird. Nach
dem Umformprozess verbleibt das Blechbauteil im Superplastic-Forming-Werkzeug
und wird dort unter Ausnutzung der Wärme des Superplastic-Forming-Prozesses
beschnitten.
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Es
kann die Vorrichtung derart ausgestaltet sein, dass das Schneidwerkzeug
ein integraler Bestandteil des Niederhalters des Superplastic-Forming-Werkzeuges
ist. Der Niederhalter dient zur Fixierung des Randes des umzuformenden
Blechbauteils während des Superplastic-Forming-Prozesses und
kann gegebenenfalls auch zur Fixierung des Blechbauteils während
des Schneidvorganges dienen. Im Niederhalter des Superplastic-Forming-Werkzeuges
können Führungen zur Lagerung und translatorischen
Führung von Schneidmessern oder -stempeln angeordnet sein.
Durch die Führungen können die Schneidelemente
verschoben werden, um das Blechbauteil zu beschneiden beziehungsweise
zu lochen. Diese Führungen für die Schneidelemente
sind dabei neben Gaskanälen, die zur Gasdruckbeaufschlagung
des Blechbauteils im Superplastic-Forming-Prozess dienen, angeordnet.
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Alternativ
zur Lagerung und Führung der Schneidelemente im Niederhalter
des Superplastic-Forming-Werkzeuges kann vorgesehen sein, dass die
Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass nach Wegnahme des Niederhalters
des Superplastic-Forming-Werkzeuges das Schneidwerkzeug derart in
Bezug zur Matrize des Superplastic-Forming-Werkzeuges positionierbar
und fixierbar ist, dass mit ihm der Beschneidungsprozess des an
der Matrize anliegenden Blechbauteils vornehmbar ist. Das heißt,
dass der Niederhalter der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in dieser Ausgestaltung der Vorrichtung durch ein gesondertes Schneidwerkzeug
ersetzbar ist.
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Zum
Ersetzen des Niederhalters ist vorgesehen, dass die Vorrichtung
eine Wechseleinrichtung umfasst, mittels derer die Wegnahme des
Niederhalters gleichzeitig mit der Positionierung und Fixierung des
Schneidwerkzeuges realisierbar ist. Eine derartige Wechseleinrichtung
kann zum Beispiel eine Dreheinrichtung sein, die den Niederhalter
von der Matrize weg schwenkt und gleichzeitig die Schneideinrichtung
an die ursprüngliche Position des Niederhalters heranschwenkt.
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Vorteilhafterweise
ist das Schneidwerkzeug derart ausgestaltet, dass es eine Führungsplatte
umfasst, die zur Positionierung von Schneidelementen dient, wobei
die Wechseleinrichtung derart ausgestaltet ist, dass durch sie die
Führungsplatte an der Stelle des Niederhalters des Superplastic-Forming-Werkzeuges
positionierbar und fixierbar ist. Das heißt, dass mittels
der Wechseleinrichtung der Niederhalter des Superplastic-Forming-Werkzeuges mit
der Führungsplatte des Schneidwerkzeuges ausgetauscht werden
kann.
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Die
Führungsplatte kann dabei derart ausgestaltet sein, dass
in ihr die Schneidelemente translatorisch verschiebbar angeordnet
sind. In dieser Ausgestaltung der Schneideinrichtung sind die translatorisch
gelagerten Schneidelemente bevorzugt pneumatisch antreibbar, so
dass die zur Gasdruckerzeugung im Superplastic-Forming-Werkzeug
vorgehaltene Technik ebenfalls zur Bewegung der Schneidelemente
genutzt werden kann.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Führungsplatte
derart ausgestaltet ist, dass die Schneidelemente an der Führungsplatte fest
angeordnet sind und die Vorrichtung des Weiteren eine Schubeinrichtung
aufweist, mittels derer die Führungsplatte in Schneidrichtung
translatorisch verschiebbar ist, Das heißt, dass keine
Relativbewegung zwischen Führungsplatte und Schneidelementen
stattfindet, sondern dass die fest an der Führungsplatte
angeordneten Schneidelemente zusammen mit der Führungsplatte
bewegt werden und somit den Schneidvorgang bewirken.
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Zur
Verhinderung von ungewolltem Verzug des Blechbauteils beim Schneidvorgang
ist des Weiteren vorgesehen, dass an der Führungsplatte
Stützen angeordnet sind. Diese Stützen zur Verhinderung
des Verzuges dienen somit als einzelne Niederhalter zur Niederhaltung
des Blechbauteils an die Matrize während des Schneidvorganges.
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Zur
energetisch optimierten Ausführung des Verfahrens kann
des Weiteren vorgesehen sein, dass die Vorrichtung in unmittelbarer
Nähe der Matrize einen Wärmespeicher zur Speicherung
wenigstens eines Teils der aus dem Superplastic-Forming-Werkzeug
an die Umgebung abgegebenen Wärme angeordnet ist. Vorzugsweise
sollte der Wärmespeicher die Matrize zur Realisierung eines
optimalen Wärmeüberganges kontaktieren. Wie bereits in
Bezug auf das Verfahren beschrieben, Lässt sich durch den
Wärmespeicher vom Blechbauteil beziehungsweise während
des Superplastic-Forming-Prozesses abgegebene Wärme zur
Temperaturerhöhung beziehungsweise Haltung eines erhöhten
Temperaturniveaus des Blechbauteils oder auch weiterer, nachfolgend
zu bearbeitender Blechbauteile verwenden.
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Außerdem
kann die Vorrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie eine Wärmepumpe
zur Aufnahme von Restwärme aus dem Superplastic-Forming-Prozess
und zum Eintrag dieser Wärme in ein Blechbauteil aufweist.
Das heißt, dass die Wärmepumpe Wärme
aufnimmt, die ansonsten vom Blechbauteil beziehungsweise vom Superplastic-Forming-Werkzeug
an die Umgebung abgegeben werden würde, und führt
diese Wärme wieder der Vorrichtung zur zusätzlichen
Erwärmung eines nachfolgend zu bearbeitenden Blechbauteils
zu.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines Blechbauteils,
welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
ist, als Karosseriebauteil.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand
der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit am Superplastic-Forming-Werkzeug
angesetztem Niederhalter, und
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2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit am Superplastic-Forming-Werkzeug
angesetztem Schneidwerkzeug.
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Wie
in 1 ersichtlich, befindet sich das zu verformende
Blechbauteil 100 zur Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses
zwischen der Matrize 210 und dem Niederhalter 220 des
Superplastic-Forming-Werkzeuges 200. Durch Einfüllung
eines unter hohem Überdruck stehenden Gases durch den Gaskanal 221 im
Niederhalter 220 in die Matrize 210 wird das Blechbauteil 100 dauerhaft
verformt, wie in 2 dargestellt.
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Das
Schneidwerkzeug 300 ist bei Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses
neben dem Superplastic-Forming-Werkzeug 200 angeordnet.
Das Schneidwerkzeug 300 umfasst eine Führungsplatte 310,
an der Schneidstempel 320 sowie Stützen 330 zur
Verhinderung von Verzug des Blechbauteils beim Schneidvorgang angeordnet
sind.
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Der
wesentliche Verfahrensschritt des Beschneidens des Blechbauteils 100 im
Superplastic-Forming-Werkzeug 200 wird nun anhand von 2 erläutert.
Nachdem im Superplastic-Forming-Prozess das Blechbauteil 100 derart
verformt wurde, dass es sich an die Kontur der Matrize 210 angelegt
hat, wird mittels der Wechseleinrichtung 400 der Niederhalter 220 gegen
das Schneidwerkzeug 300 ausgetauscht. Dabei vollzieht die
Wechseleinrichtung 400, wie mit den ringförmigen
Pfeilen angedeutet, eine Drehbewegung zum Austausch der genannten
Vorrichtungselemente. Nach Platzierung des Schneidwerkzeuges 300 beziehungsweise
dessen Führungsplatte 310 an die Stelle des Niederhalters 220 werden
die Schneidstempel 320 in Richtung der Matrize 210 bewegt,
so dass sie das Blechbauteil 100 durchstoßen und
in die in der Matrize 210 vorgesehenen Einfahröffnungen 211 einfahren.
Dadurch wird das Blechbauteil 100 gelocht beziehungsweise am
Rand beschnitten. Zur Verhinderung übermäßigen
Verzugs beim Schneidvorgang sind an der Führungsplatte 310 Stützen 330 angeordnet,
die als Niederhalter auf das Blechbauteil 100 während
des Schneidvorganges wirken. Zum Einfahren der Schneidstempel in
das Superplastic-Forming-Werkzeug 200 beziehungsweise in
das Blechbauteil 100 müssen die Schneidstempel 320 translatorisch
bewegt werden. Dies lässt sich durch eine Relativverschiebung
der Schneidstempel 320 in Bezug zur Führungsplatte 310 erreichen,
in der die Schneidstempel 320 in Führungen (nicht
dargestellt) gelagert sind und zum Beispiel pneumatisch angetrieben
sind.
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In
einer Alternative dazu lassen sich die Schneidstempel 320 zusammen
mit der Führungsplatte 310 translatorisch bewegen,
um somit den Schneidvorgang zu realisieren. Zu diesem Zweck ist an
der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Schubeinrichtung
(nicht dargestellt) angeordnet, welche den translatorischen Versatz
der Führungsplatte 310 mitsamt der Schneidstempel 320 bewirken
kann.
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt, ist an der Oberseite
der Matrize 210 des Superplastic-Forming-Werkzeuges 200 ein
Wärmespeicher angeordnet, der zur Aufnahme von während
des Superplastic-Forming-Prozesses an die Umgebung abgegebener Wärme
dient. Die im Wärmespeicher 500 gespeicherte Wärme
lässt sich dem Blechbauteil 100 beziehungsweise
dem Superplastic-Forming-Werkzeug 200 vor und/oder während
des anschließenden Schneidvorganges zuführen,
um die Temperatur des Blechbauteils 100 auf einem hohen
Niveau zu halten. Dabei wird nicht nur die Wärme verwertet,
die bei der Herstellung des zu beschneidenden Blechbauteils 100 anfiel,
sondern der Wärmespeicher kann auch die Energie von Superplastic-Forming-Prozessen
zur Bearbeitung vorhergehender Blechbauteile speichern und zur Wiederverwendung
bereitstellen.
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Es
ist außerdem in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, dass an einer Isolierung 340, welche die Schneidstempel 320 des Schneidwerkzeuges 300 in
der Stellung während der Durchführung des Superplastic-Forming-Prozesses umgibt,
eine Wärmepumpe 600 angeschlossen ist, mittels
derer die von dem Schneidwerkzeug 300 abgegebene Wärme,
die dem Schneidwerkzeug während des Schneidvorganges des
vorhergehenden Blechbauteiles zugeführt wurde, abgeleitet
und dem Superplastic-Forming-Werkzeug 200 und/oder dem daran
angeordneten Wärmespeicher 500 zur Verfügung
gestellt wird. Dadurch lässt sich in energetisch effizienter
Weise das Temperaturniveau im Superplastic-Forming-Werkzeug während
des Schneidvorganges erhöhen beziehungsweise halten.
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Es
lässt sich somit mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein Blechbauteil unter Ausnutzung der im Superplastic-Forming-Prozess
anfallenden Wärme unter Aufbringung von verringerten Schnittkräften und
innerhalb kürzerer Taktzeiten kostengünstig fertigen.
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- 100
- Blechbauteil
- 200
- SPF-Werkzeug
- 210
- Matrize
- 211
- Einfahröffnung
- 220
- Niederhalter
- 221
- Gaskanal
- 300
- Schneidwerkzeug
- 310
- Führungsplatte
- 320
- Schneidstempel
- 330
- Stützen
- 340
- Isolierung
- 400
- Wechseleinrichtung
- 500
- Wärmespeicher
- 600
- Wärmepumpe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - KR 1020000047008
A [0010]
- - DE 102004025044 B3 [0011]
- - DE 19714631 A1 [0012]
- - DE 19806761 A1 [0013, 0017]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - EN-AW-5754 [0028]
- - EN-AW-5083 [0028]
- - EN-AW-5754 [0028]
- - EN-AW-5083 [0028]