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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Presse zum Formen von Werkstücken aus Flachmaterial, insbesondere zum Formen von Karosserieteilen für Fahrzeuge.
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Derartige Pressen umfassen herkömmlicherweise einen Tisch und einen gegen den Tisch bewegbaren Stempel, die jeweils ein Formwerkzeug tragen und mit hoher Kraft, typischerweise hydraulisch oder mechanisch angetrieben, gegeneinander gepresst werden, um einen zwischen die Formteile eingefügten Flachmaterialzuschnitt dreidimensional zu formen.
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Die beim Formen von Karosserieblechen für Kraftfahrzeuge eingesetzten Pressen erzeugen Presskräfte von vielen Hundert oder gar mehreren Tausend Tonnen. Diese Kräfte führen unvermeidlicherweise im Betrieb zu einer elastischen Verformung des Tischs und des Stempels und, in noch stärkerem Umfang, der Formwerkzeuge. Bei der Erzeugung dieser Verformung geht Antriebsenergie der Presse nutzlos verloren, d. h. die Energieeffizienz der Presse ist beeinträchtigt. Darüber hinaus können derartige Verformungen dazu führen, dass ein Bereich eines Werkstücks bereits zwischen sich gegenüber liegenden Bereichen der Formwerkzeuge geklemmt sind, während in anderen Bereichen des Werkstücks die Formgebung noch nicht abgeschlossen ist. Der Teil der Presskraft, der auf die eingeklemmten Bereiche des Werkstücks entfällt, verpufft nutzlos. Ein ungünstiges Verformungsverhalten der Werkzeuge erhöht daher ganz erheblich die zum Erzielen einer gewünschten Form des Werkstücks erforderliche Presskraft.
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Es liegt auf der Hand, dass die Fertigungskosten von Pressformteilen erheblich reduziert werden können, wenn es gelingt, den Anteil der Werkstückfläche zu minimieren, der zwischen den Formwerkzeugen eingeklemmt wird, bevor die Formgebung abgeschlossen ist. Da dann der Anteil der Presskraft, der in geklemmten Bereichen des Werkstücks wirkt und ungenutzt bleibt, gering ist, genügt eine geringe Presskraft und eine dementsprechend preiswerte Presse, um die Werkstücke zu formen. Je geringer die Presskraft, um so geringer ist auch die aus ihr resultierende Durchbiegung der Formwerkzeuge. Folglich kann auch die Verlustleistung der Presse gering gehalten werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Presse zu schaffen, mit der diese Ziele erreichbar sind.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einer Presse zum Formen von Werkstücken aus Flachmaterial, insbesondere zum Formen von Karosserieteilen für Fahrzeuge, mit einem Tisch und einem gegen den Tisch bewegbaren Stempel, wobei Tisch und Stempel Träger für jeweils ein Formwerkzeug bilden, wobei in einem Zwischenraum zwischen wenigstens einem dieser Träger und dem daran befestigten Formwerkzeug eine Mehrzahl von Stützen angeordnet ist, Montageplätze, an denen jeweils eine Stütze befestigbar ist, in dem Zwischenraum gemäß einem regelmäßigen Raster verteilt sind.
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Die durch das Raster vorgegebenen Montageplätze ermöglichen eine schnelle und reproduzierbare Platzierung der Stützen und erleichtern dadurch die Findung einer optimierten Anordnung, in der Klemmung und/oder elastische Verformung minimiert sind. Um diese Minimierung zu erzielen, sind die Stützen bevorzugt an den höchstbeanspruchten Stellen des Formwerkzeugs angeordnet.
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Zweckmäßigerweise ist wenigstens eine Stütze und vorzugsweise jede Stütze als Kraftsensor ausgebildet, um die während eines Formvorgangs auftretenden Kräfte unmittelbar zu messen.
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Vorzugsweise ist eine Druckverteilerplatte zwischen jeder Stütze und dem Formwerkzeug angeordnet. Dies ermöglicht die Verwendung von weitgehend hohlen, an ihrer vom Werkstück abgewandten Seite durch Rippen versteiften Formwerkzeugen, ohne dass die Anordnung der Rippen bei der Festlegung des Rasters der Stützen berücksichtigt werden muss.
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Um das Raster festzulegen, ist in dem Zwischenraum zwischen Träger und Formwerkzeug zweckmäßigerweise eine Rasterplatte mit einer Mehrzahl von Bohrungen angeordnet, wobei jeder Montageplatz durch eine der Bohrungen definiert ist, die eine der Stützen aufnehmen kann. Die Rasterplatte kann auch aus mehreren, jeweils einen Teil der einander zugewandten Oberflächen des Trägers bzw. des Formwerkzeugs überdeckenden Teilplatten mit jeweils einer Mehrzahl von Bohrungen zusammengefügt sein.
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Vorzugsweise ist die Rasterplatte von dem Formwerkzeug oder von dem Träger durch einen Luftspalt getrennt, so dass die auf das Formwerkzeug ausgeübte Kraft ausschließlich über die Stützen übertragen wird.
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Die Bohrungen der Rasterplatte sind vorzugsweise Sackbohrungen mit einer dem Träger zugewandten Öffnung. Indem die Stützen zum Teil aus diesen Bohrungen herausragen, ergibt sich, dass der oben erwähnte Luftspalt insbesondere zwischen der Rasterplatte und dem Träger zu liegen kommt. Der nicht durchbohrte Teil der Rasterplatte kann zweckmäßigerweise die oben erwähnte Kraftverteilerplatte darstellen. Da infolgedessen eine geschlossene Oberfläche der Rasterplatte an dem Formwerkzeug anliegt, können versteifende Rippen des Formwerkzeugs weitgehend frei platziert werden; d. h. die Möglichkeiten zur Anordnung dieser Rippen sind durch die Verwendung der Rasterplatte nicht eingeschränkt.
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Um die Verformung des Formwerkzeugs zu minimieren, ist vorzugsweise die Dichte der Stützen zwischen einem hochbelasteten Bereich des Formwerkzeugs, insbesondere also einem Bereich, in dem eine starke dreidimensionale Verformung des Werkstücks stattfindet, und dem Träger höher als zwischen einem geringbelasteten Bereich des Formwerkzeugs und dem Träger.
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Infolge der im hochbelasteten Bereich höheren Dichte der Stützen ist die Bandbreite der Kräfte, denen die einzelnen Stützen im Betrieb ausgesetzt sind, begrenzt. Eine optimierte Anordnung der Stützen kann als für die Produktion geeignet angesehen werden, wenn das Verhältnis der Kräfte, die während des Formens eines Werkstücks auf die höchstbelastete und die geringstbelastete Stütze wirken, ein geeignet vorgegebenes Verhältnis von zum Beispiel maximal 2 unterschreitet. Wenn das Verhältnis größer als 2 ist, kann es meist verkleinert werden, indem die höchstbelastete Stütze durch zwei Stützen an benachbarten Rasterplätzen ersetzt wird, oder indem eine wegen zu geringer Belastung nicht erforderliche Stütze weggelassen wird.
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Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Verfahren zum Betreiben einer Presse der oben beschriebenen Art, mit den Schritten:
- – Anbringung von Kraftsensoren an einem Teil der Montageplätze;
- – Messen der während des Formens eines Werkstücks an den Kraftsensoren auftretenden Kräfte;
- – Hinzufügen einer Stütze, insbesondere eines Kraftsensors, an einem Montageplatz, der einem hochbelasteten Kraftsensor benachbart ist, und/oder
- – Entfernen eines gering belasteten Kraftsensors oder einer zu dem gering belasteten Kraftsensor benachbarten Stütze.
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Nachdem auf diese Weise eine für die Fertigung geeignete Anordnung der Stützen gefunden worden ist, ist es im Prinzip möglich, die als Kraftsensor ausgebildeten Stützen durch Stützen ohne Kraftmessfunktion zu ersetzen; vorzugsweise bleiben jedoch die Kraftsensoren auch während der Fertigung an ihrem Platz, um eine Überwachung der laufenden Fertigung zu ermöglichen.
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Eine schnelle Optimierung der Anordnung der Stützen ist möglich, indem ein Kraftgradient am Montageplatz eines hochbelasteten Kraftsensors abgeschätzt wird, etwa durch Bilden der Differenzen zwischen der auf den hochbelasteten Kraftsensor einwirkenden Kraft und der auf benachbarte Kraftsensoren einwirkenden Kräfte, und der Montageplatz für die zusätzliche Stütze in Richtung des Kraftgradienten gegen den Montageplatz des hochbelasteten Kraftsensors versetzt ausgewählt wird. Diesem Verfahren liegt die Vorstellung zugrunde, dass ein starker Kraftgradient auf im Formwerkzeug wirkende Hebelkräfte zurückgeht. Wenn das Werkstück eine Kraft auf das Formwerkzeug z. B. links von einem ersten Kraftsensor ausübt und rechts von dem ersten ein zweiter Kraftsensor angeordnet ist, so bewirkt die Kraft aufgrund des als zweiarmiger Hebel wirkenden Formwerkzeugs eine Entlastung des zweiten und eine umso größere Belastung des ersten Sensors. Indem die zusätzliche Stütze in Richtung des Kraftgradienten, hier also links vom hochbelasteten ersten Kraftsensor angeordnet wird, wird die Hebelkraft abgebaut, und eine gleichmäßigere Kraftverteilung ist die Folge. Dabei kann der erste Kraftsensor an seinem Platz bleiben, oder er kann gegen den neuen ausgetauscht werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Presse;
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2 eine schematische Ansicht einer mit Kraftsensoren bestückten Rasterplatte; und
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3 eine schematische Draufsicht auf einen Teil einer Rasterplatte mit daran montierten Kraftsensoren zur Veranschaulichung von zwischen Paaren von Sensoren auftretenden Kraftgradienten.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Presse gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Presse umfasst in an sich bekannter Weise ein Portal 1 mit einem ortsfesten Tisch 2 und einem oberhalb des Tisches 2 vertikal bewegbaren, mechanisch oder hydraulisch angetriebenen Stempel 3. Tisch 2 und Stempel 3 sind mit zueinander komplementären Formwerkzeugen 4, 5 bestückt. An einem der Formwerkzeuge, hier dem oberen Werkzeug 5, ist ein zu bearbeitender Blechzuschnitt 6 befestigt. Die Presse ist in einer Stellung unmittelbar vor dem Einsetzen der Verformung des Zuschnitts 6 gezeigt.
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Zwischen dem Stempel 3 und dem an ihm befestigten Formwerkzeug 5 ist eine Rasterplatte 8 mit einer Mehrzahl von Rasteröffnungen 9 angebracht, von denen einige leer sind und die anderen mit Kraftsensoren 10 bestückt sind. Die Kraftsensoren 10 sind zwischen dem Stempel 3 und dem Formwerkzeug 5 eingespannt, z. B. mit Hilfe von in 1 nicht dargestellten Schrauben, die Öffnungen des Formwerkzeugs 5 durchsetzen und in Gewinde des Stempels 3 eingreifen. Dadurch sind die Kraftsensoren 10 ständig druckbelastet, auch wenn das Formwerkzeug 5 ohne Kontakt mit dem komplementären Werzeug 4 frei herabhängt.
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Die Rasteröffnungen 9 sind Sackbohrungen, die zum Stempel 3 hin offen sind. Eine dem Formwerkzeug 5 zugewandte geschlossene Seite der Rasterplatte verteilt die über die Kraftsensoren 10 übertragene Kraft des Stempels in seitlicher Richtung, so dass die Kraft auch dann effizient auf das Formwerkzeug 5 übertragen werden kann, wenn die Kraftsensoren gegen versteifende Rippen 15 an der Rückseite des Formwerkzeugs seitlich versetzt sind.
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Die Kraftsensoren 10 ragen aus den Rasteröffnungen 9 heraus, so dass ein Luftspalt 7 die Rasterplatte 8 vom Stempel 3 trennt. Die Kraft des Stempels 3 wird daher nur über die Kraftsensoren 10 auf das Formwerkzeug 5 übertragen, und ihre Verteilung über die wirksame Querschnittsfläche des Formwerkzeugs ist vollständig messbar.
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Aus der Betrachtung der 1 wird unmittelbar deutlich, dass die beim Verformen auftretenden Kräfte im Allgemeinen nicht gleichförmig über die wirksamen Oberflächen der Formwerkzeuge 4, 5 verteilt sind. Es gibt Bereiche, im Beispiel der 1 etwa ein schmaler Bereich 11 am linken Rand der Formwerkzeuge 4, 5, wo die dreidimensionale Verformung des Zuschnitts 6 sehr stark ist, einen zentralen Bereich 12 mit geringer Verformung und einen rechten Bereich 13 mit mittelmäßiger Verformung. Der Widerstand, den der Zuschnitt 6 der Bewegung des Stempels 3 entgegensetzt, ist dementsprechend nicht gleichmäßig über die Fläche des Zuschnitts 6 verteilt, sondern maximal im linken Randbereich 11 und minimal im zentralen Bereich 12. Wenn jedoch der Stempel 3 einen homogen über seine gesamte Querschnittsfläche verteilten Druck auf das Formwerkzeug 5 ausübt, kann fehlender Gegendruck des Zuschnitts 6 im Zentralbereich 12 zu einer Durchbiegung des Formwerkzeugs 5 führen. Die Folge davon ist, dass der Zuschnitt 6 im zentralen Bereich 12 zwischen den Formwerkzeugen 4 und 5 geklemmt wird, bevor dies in den stärker verformenden Bereichen 11, 13 geschieht. Folglich steht nur noch ein Teil der Presskraft des Stempels 3 zur Verfügung, um die vorgesehene Verformung des Zuschnitts 6 in den Bereichen 11, 13 herbeizuführen. Wenn keine geeigneten Gegenmaßnahmen getroffen werden, muss folglich die Presse so kräftig dimensioniert werden, dass der nach Herstellung der Klemmung im Bereich 12 auf die Bereiche 11, 13 entfallende Rest ihrer Presskraft für die gewünschte Verformung des Zuschnitts 6 ausreicht.
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Die erfindungsgemäße Presse erlaubt es, die elastische Verbiegung der Formwerkzeuge 4, 5 bzw. ihrer Träger, des Tisches 2 und des Stempels 3, zu vermeiden oder auf ein zuvor bei der Formgebung der Formwerkzeuge 4, 5 einkalkuliertes Maß zu begrenzen, indem die Kraftsensoren 10 oder andere starre Stützen in den Rasteröffnungen 9 schnell und reproduzierbar in an die Verteilung der Formkräfte angepasster Weise verteilt werden können. Wie in 1 gezeigt, ist die Dichte der Sensoren 10 in dem Bereich 11 mit der stärksten Verformung am höchsten und in dem gering verformten Bereich 12 am niedrigsten. Die Rasterung der Platte 8 erlaubt es, die Position der Sensoren 10 schnell zu verändern, die aus einer gegebenen Verteilung der Kraftsensoren 10 resultierenden Kräfte zu messen und unter verschiedenen untersuchten Verteilungen die beste nach Abschluss der Messungen reproduzierbar wiederherzustellen.
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2 zeigt ein Beispiel einer möglichen Verteilung von Kraftsensoren 10 an der Rasterplatte 8, die sich als Ergebnis einer solchen Messreihe ergeben kann. Auch hier ist die Dichte der Sensoren 10 in einem vorderen linken Randbereich 11 relativ hoch, in einem zentralen Bereich 12 gering und mittelmäßig in einem rechten hinteren Bereich 13.
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Die Rasterplatte 8 kann sich über die gesamte wirksame Querschnittsfläche des Stempels 3 bzw. des Formwerkzeugs 5 erstrecken; es ist aber auch denkbar, diese Querschnittsfläche mit mehreren aneinander angrenzenden Rasterplatten 8 Zu überdecken.
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Eine grobe Abschätzung, welcher Bereich einer Rasterplatte dichter und welcher weniger dicht mit Kraftsensoren 10 bestückt werden sollte, ist anhand einer einfachen Betrachtung der Formwerkzeuge 4, 5 möglich. Eine Einzelfallentscheidung, welche Öffnung 9 der Rasterplatte 8 mit einem Kraftsensor 10 bestückt werden sollte und welche nicht, erfordert jedoch entweder aufwendige Berechnungen oder eine Optimierung.
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Ein Konzept für ein Optimierungsverfahren wird im Folgenden anhand der 3 dargestellt.
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Eine Ausgangsverteilung, von der die Optimierung ausgeht, kann bereits grob an die Verteilung von stark und weniger stark verformenden Bereichen an den Formwerkzeugen 4, 5 angepasst sein; denkbar ist aber auch, von einer Standardverteilung auszugehen, bei der alle Kraftsensoren 10 nach einem regelmäßigen Muster in den Rasteröffnungen 9 verteilt sind. 3 zeigt eine solche Standardverteilung, bei der Kraftsensoren 10-i, i = 1, 2, ..., in einem gleichmäßigen quadratischen Raster angeordnet sind, dessen Kantenlänge jeweils dem Vierfachen des Abstandes zwischen benachbarten Rasteröffnungen 9 entspricht. Eine Ellipse 14 zeigt die Lage eines Bereichs der Formwerkzeuge 4, 5 an, in dem der Verformungswiderstand eines zu bearbeitenden Blechzuschnitts 6 besonders groß ist. Die in diesem Bereich 14 zwischen den Formwerkzeugen 4, 5 wirkende Kraft verteilt sich vorwiegend auf die dem Bereich 14 nächstbenachbarten Kraftsensoren 10-1, 10-2, 10-4, 10-5, 10-7, 10-8, wobei der höchstbelastete offensichtlich der dem Bereich 14 unmittelbar benachbarte Sensor 10-5 sein wird. Die Steifigkeit des Formwerkzeugs 5 kann insbesondere dazu führen, dass der Kraftsensor 10-5 als Angelpunkt eines zweiarmigen Hebels wirkt, von dem sich ein Hebelarm zum Bereich 14 hin erstreckt und der entgegengesetzte zum Kraftsensor 10-6. Dieser zweiarmige Hebel bewirkt, dass durch den im Bereich 14 übertragenen Druck der Sensor 10-6 entlastet wird, und der Sensor 10-5 zusätzlich zu dem im Bereich 14 übertragenen Druck auch die Entlastung des Sensors 10-6 tragen muss. Es liegt auf der Hand, dass die dabei auftretenden Biegemomente zu einer starken unerwünschten Verformung des Formwerkzeugs 5 führen können.
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Um diese Fälle zu erkennen und zu kompensieren, wird für jedes Paar von zwei benachbarten Kraftsensoren die Differenz der von ihnen gemessenen Kräfte berechnet. In 3 sind die Differenzen der auf dem zentralen Sensor 10-5 und dessen Nachbarsensoren 10-i, i ≠ 5 wirkenden Kräfte jeweils an den Nachbarsensoren als Kraftgradienten ΔFi, angezeichnet, wobei die Länge eines jeden Kraftgradienten ΔFi proportional zur Differenz der Kräfte ist und seine Richtung parallel zu einer Verbindungslinie zwischen den betreffenden Sensoren. Die Spitze jedes Kraftgradienten ΔFi zeigt in Richtung desjenigen der beiden Sensoren, der der höheren Kraft ausgesetzt ist. Die Summe der Kraftgradienten ΔFi wird berechnet; sie ist als Vektor ΣF am zentralen Sensor 10-5 aufgetragen. Der Vektor ΣF weist in die Richtung, in der ein zusätzlicher Sensor 10-10 anzuordnen ist. Je größer ΣF ist, umso näher am zentralen Sensor 10-5 wird der neue Sensor 10-10 platziert.
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Anstatt einen neuen, zusätzlichen Kraftsensor einzusetzen, kann auch der zentrale Sensor 10-5 in Richtung des Vektors ΣF verschoben werden. Welche der beiden Möglichkeiten gewählt wird, kann vom Verhältnis der an einzelnen Sensoren 10 wirkenden Kräfte abhängig gemacht werden. Wenn die auf den zentralen Sensor 10-5 einwirkende Kraft deutlich größer als ein Mittelwert der auf die umgebenden Sensoren 10-i einwirkenden Kräfte ist, oder wenn sie um einen vorgegebenen Faktor größer ist als die am geringstbelasteten Sensor einwirkende Kraft, dann führt die Hinzufügung des Sensors 10-10 dazu, dass dieser und der zentrale Sensor 10-5 deutlich weniger belastet werden als zuvor der zentrale Sensor 10-5 allein, und dass das Verhältnis zwischen den Kräften am höchstbelasteten und am geringstbelasteten Sensor abnimmt. Wenn keine der obigen Bedingungen erfüllt ist, kann die Hinzufügung des Sensors 10-10 dazu führen, dass dieser und der zentrale Sensor deutlich unterdurchschnittlich belastet sind; in diesem Fall wird man eher den zentralen Sensor 10-5 in Richtung von ΣF verschieben.
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Im laufe eines Optimierungsdurchgangs wird jeder Sensor einmal als zentraler Sensor augewählt.
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Um die Zahl der Sensoren in Grenzen zu halten, können unterdurchschnittlich belastete Sensoren entfernt werden.
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Durch mehrfache Durchführung von Optimierungsdurchgängen kann schließlich eine Anordnung von Sensoren erhalten werden, bei der das Verhältnis zwischen der am stärksten belasteten Sensor gemessenen Kraft und der am schwächsten belasteten Sensor gemessenen unter einem vorgegebenen Grenzwert von zum Beispiel 2 liegt. So können die Verformungen der Werkzeuge 4, 5 in tolerierbaren Grenzen gehalten werden und die Presskraft der Presse wird effizient ausgenutzt.
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Nachdem die Anordnung der Sensoren 10 optimiert worden ist, wäre es grundsätzlich möglich, sie durch Stützen ohne Sensorfunktion zu ersetzen. Zweckmäßigerweise bleiben allerdings auch während der Serienfertigung die Sensoren 10 an ihren optimierten Plätzen, um die bei der Bearbeitung jedes einzelnen Zuschnitts 6 in der Serienfertigung auftretenden Kräfte zu messen. Anhand von Abweichungen dieser Kräfte von den während der Optimierung erhaltenen können Fehler wie etwa ein Defekt des Zuschnitts 6 oder eines der Formwerkzeuge 4, 5 sofort erkannt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Portal
- 2
- Tisch
- 3
- Stempel
- 4
- Formwerkzeug
- 5
- Formwerkzeug
- 6
- Blechzuschnitt
- 7
- Zwischenraum
- 8
- Rasterplatte
- 9
- Rasteröffnung
- 10
- Kraftsensor
- 11
- linker Randbereich
- 12
- zentraler Bereich
- 13
- rechter Bereich
- 14
- Ellipse
- 15
- Rippe
