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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein formvariables Formwerkzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Zur Reduzierung der Kosten bei der Herstellung von Bauteilen beispielsweise aus Faserverbundwerkstoffen wäre es wünschenswert, unterschiedliche Bauteile, wie beispielsweise eine Reihe von Bauteilen, die sich in einer Anschlusskontur unterscheiden, mit einem einzigen Formwerkzeug herstellen zu können. Dazu müsste das Formwerkzeug allerdings formvariabel sein, um es an die sich ändernde Anschlusskontur anzupassen.
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Konkret ist eine solche sich ändernde Anschlusskontur beispielsweise bei Spanten gegeben, die unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen sollen, je nachdem für welche Sektion im Flugzeug sie vorgesehen sind.
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Entsprechend geht es bei der vorliegenden Erfindung darum, ein Formwerkzeug aufzuzeigen, bei dem der Verlauf einer formgebenden Oberfläche möglichst kontinuierlich veränderbar ist, das andererseits jedoch in seiner Verwendung insgesamt eine hohe Formsteifigkeit aufweist.
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Ein solches Formwerkzeug wäre auch für die Herstellung von Bauteilen aus anderen Werkstoffen von Interesse.
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Zum Bereich der Erfindung gehören nicht solche formvariablen Formhilfsmittel, wie beispielsweise Gießsand für das Gießen von Bauteilen aus Metall in eine zuvor mit einem Muster des Bauteils in den Gießsand gedrückte Kavität. Vielmehr geht es hier ausschließlich um Formwerkzeuge mit formsteifer und geschlossener formgebender Oberfläche, Vorzugsweise ist über das die formgebende Oberfläche aufweisende flächige Formelement zudem ein Druckunterschied, insbesondere zum Aufbauen eines Unterdrucks oder Überdrucks in der Formkavität aufbaubar.
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STAND DER TECHNIK
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Es sind formvariable Formwerkzeuge bekannt, bei denen Stempel mit einer formgebenden Stirnfläche unterschiedlich weit in eine Formkavität des Formwerkzeugs vorgeschoben werden.
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Bei einem hier als bekannt vorausgesetzten formvariablen Formwerkzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bildet ein flexibles flächiges Formelement eine formgebende Oberfläche des Formwerkzeugs aus und stützt sich an einer formsteifen Struktur des Formwerkzeugs ab. Darunter ist zum Beispiel eine Abstützung über die Lage einzelner Punkte des flexiblen Formelements gegenüber der formsteifen Struktur definierenden Stellelementen zu verstehen. Der Aufbau eines solchen formvariablen Formwerkzeugs ist äußerst komplex und entsprechend kostspielig. Auch die Änderung des Verlaufs der von seinem flexiblem Formelement definierten formgebenden Oberfläche ist aufwändig.
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Aus dem Bereich des Krankentransports sind sogenannte Vakuummatratzen bekannt, die ein Granulat, beispielsweise aus einem Hartschaum, innerhalb eines von einer verformbaren Umhüllung umschlossenen Raums aufweisen. Durch Evakuieren dieses Raums wirkt auf das Granulat der Umgebungsdruck über die Umhüllung ein und fixiert die einzelnen Teilchen des Granulats durch Reib- und oder Formschluss aneinander. Auf diese Weise wird eine Relativanordnung der Teilchen und damit eine äußere Form der Vakuummatratze konserviert. Dies wird genutzt, um Patienten, beispielsweise mit Wirbelsäulenverletzungen, für den Transport zu immobilisieren, indem sie vor dem Evakuieren des Raums mit dem Granulat auf die Vakuummatratze gelegt und das Granulat an sie angeformt wird. Wenn dann der Raum evakuiert wird, steift sich die zuvor einfach verformbare Vakuummatratze aus. Eine solche Vakuummatratze ist beispielsweise in der
EP 1 166 740 A2 beschrieben.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein formvariables Formwerkzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, das zwar eine hohe Steifigkeit der durch sein flexibles Formelement definierten formgebenden Oberfläche aufweist, aber dennoch schnell an unterschiedliche gewünschte Verläufe der formgebenden Oberfläche anpassbar ist.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein formvariables Formwerkzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Formwerkzeugs sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei dem neuen formvariablen Formwerkzeug stützt sich mindestens ein flexibles flächiges Formelement, das eine formgebende Oberfläche des Formwerkzeugs ausbildet, über ein formvariables Zwischenelement an einer formsteifen Struktur ab, wobei dieses Zwischenelement reversibel zwischen einem Zustand hoher Formsteifigkeit und einem Zustand geringer Formsteifigkeit schaltbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug bildet das flächige flexible Formelement eine, aber meistens nicht alle formgebenden Oberflächen des Formwerkzeugs aus. Vielmehr sind häufig weitere formgebende Oberflächen des Formwerkzeugs vorgesehen, die von formsteifen Formelementen ausgebildet werden, welche an das flexible Formelement angrenzen und sich starr an der formsteifen Struktur abstützen. Das flexible flächige Formelement des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs stützt sich an der formsteifen Struktur über das Zwischenelement ab, das in seinem einen Zustand geringer Formsteifigkeit erlaubt, die von dem flexiblem Formelement ausgebildete formgebende Oberfläche zu formen. Die gewählte Form wird dann konserviert, indem das formvariable Zwischenelement in seinen Zustand hoher Formsteifigkeit geschaltet wird. Dieses Schalten ist bei dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug reversibel. Das heißt, das Zwischenelement kann aus seinem Zustand hoher Formsteifigkeit zurück in seinen Zustand geringer Formsteifigkeit geschaltet werden, um den Verlauf der von
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dem flexiblen Formelement definierten formgebenden Oberfläche erneut zu verändern. Um dann diesen veränderten Verlauf zu fixieren, ist das formvariable Zwischenelement erneut in seinen Zustand hoher Formsteifigkeit schaltbar und so weiter.
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Vorzugsweise stützt sich das flächige Formelement des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs über das formvariable Zwischenelement vollflächig an der formsteifen Struktur ab. Das heißt, das in seinen formsteifen Zustand geschaltete Zwischenelement gibt die Lage des flächigen Formelements und damit den Verlauf der von ihm definierten formgebenden Oberfläche nicht nur an voneinander beabstandeten diskreten Stützpunkten, sondern über die gesamte formgebende Oberfläche hinweg vor. Allein hieraus resultiert eine hohe effektive Steifigkeit der Abstützung der formgebenden Oberfläche, da diese Steifigkeit an keiner Stelle nur auf der Steifigkeit des flächigen Formelements, sondern überall auch auf der hohen Formsteifigkeit des Zwischenelements in seinem Zustand hoher Formsteifigkeit beruht.
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Das flexible Formelement des neuen Formwerkzeugs kann seitlich zwischen zwei weiteren formsteifen Formelementen geführt sein, die weitere formgebende Oberflächen des Formwerkzeugs ausbilden und sich starr an der formsteifen Struktur abstützten. Diese formsteifen weiteren Formelemente können zum Beispiel plattenförmig sein und im Wesentlichen parallele Seitenflächen eines mit Hilfe des neuen Formwerkzeugs herzustellenden Bauteils ausbilden.
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Das flexible Formelement des neuen Formwerkzeugs ist vorzugsweise biegeweich, d. h. es weist vorzugsweise eine geringe Steifigkeit gegen Biegeverformung auf. Dies erleichtert es, der formgebenden Oberfläche, die von dem flexiblen Formelementen definiert wird, zum Beispiel durch Andrücken eines Musters des in dem Formwerkzeug herzustellenden Bauteils eine gewünschte Form zu geben. Bei einer höheren Biegesteifigkeit des Formelements formt sich das Formelement mit seiner später formgebenden Oberfläche nicht ohne weiteres an stärker gekrümmte oder gar geknickte oder anderweitig komplex geformte Oberflächen des Musters an.
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Das flexible Formelement kann bei dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug auch zugweich sein. Diese Eigenschaft ist dann erforderlich, wenn die formgebende Oberfläche, die von dem flexiblen Formelement definiert wird, in mehr als einer Richtung gekrümmt sein soll und dennoch ein stetiger Verlauf der formgebenden Oberfläche realisiert werden soll. Wenn hingegen die von dem flexiblen Formelement definierte formgebende Oberfläche nur in einer Richtung gekrümmt sein soll, ist die Verwendung eines zugsteifen flexiblen Formelements bevorzugt, weil dies zum Beispiel die Gefahr reduziert, dass sich Strukturen des Zwischenelements durch das flexible Formelement bis an die formgebende Oberfläche durchdrücken.
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Das formvariable Zwischenelement des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs kann zum Beispiel eine Vielzahl von Teilchen in einem Raum aufweisen, der von einer zumindest bereichsweise verformbaren Umhüllung begrenzt ist, wobei die Teilchen über die Umhüllung derart mit einer Kraft gegeneinander beaufschlagbar sind, dass eine Relativanordnung der Teilchen zueinander durch Kraftschluss und/oder Formschluss zwischen den Teilchen und damit ein Verlauf der von dem flexiblen Formelement ausgebildeten formgebenden Oberfläche gegenüber der formsteifen Struktur konserviert wird, während die Relativanordnung der Teilchen und damit der Verlauf der von dem flexiblen Formelement ausgebildeten formgebenden Oberfläche gegenüber der formsteifen Struktur ohne diese Kraft veränderbar ist.
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Bei ausreichend kleinteiliger Ausbildung der Teilchen kann ein derartiges Zwischenelement nahezu jede beliebige Lage der formgebenden Oberfläche, die von dem flexiblen Formelement ausgebildet wird, gegenüber der formsteifen Struktur konservieren. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich der Querschnitt des Raums überall zwischen dem flexiblen Formelement und der formsteifen Struktur in allen seinen Richtungen über mehrere Teilchen erstreckt.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Raum auch vollflächig über die der formgebenden Oberfläche abgekehrten Rückseite des flexiblen Formelements, um jeden Punkt der formgebenden Oberfläche abzustützen.
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Um die Kraft auf die Teilchen in dem Raum über die Umhüllung aufzubringen, kann der Raum, in dem die Teilchen angeordnet sind, evakuierbar sein. Durch das Ausbilden eines Unterdrucks in dem Raum wirkt der Umgebungsdruck als Kraft über die Umhüllung, insbesondere über deren verformbaren Bereich auf die Teilchen ein.
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Die Teilchen in dem Raum sind selbst vorzugsweise druckresistent und weisen eine hohe Drucksteifigkeit auf. Wenn ihre Oberflächen rau und/oder zur Erhöhung ihrer Haftreibung behandelt sind, reichen vergleichsweise kleine Kräfte über die Umhüllung auf die Teilchen für das Erreichen einer hohen Haftreibung und damit das Erreichen einer hohen Steifigkeit des Zwischenelements in seinem formsteifen Zustand aus.
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Der Raum, in dem die Teilchen angeordnet sind, grenzt vorzugsweise direkt an die Rückseite des flexiblen Formelements an. Dort wird der Raum dann von dem flexiblen Formelement und ansonsten von einer sich daran anschließenden Hülle umschlossen.
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Die Abstützung an der formsteifen Struktur ist vorzugsweise durch Elemente der formsteifen Struktur realisiert, die sich durch die Hülle und zwischen den Teichen durch den Raum hindurch erstrecken. Konkret können diese Elemente der formsteifen Struktur in Abständen, die ein Hindurchtreten der Teilchen erlauben, parallel zueinander verlaufende Querbolzen sein. Damit kann der Verlauf der formgebenden Oberfläche des flexiblen Formelements in sehr weiten Bereichen gegenüber der formsteifen Struktur variiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug können auch mehrere, jeweils eine formgebende Oberfläche des Formwerkzeugs ausbildende und flexible flächige Formelement vorgesehen sein, die sich an der formsteifen Struktur über jeweils ein formvariables Zwischenelement abstützen, das reversibel zwischen einem Zustand hoher Formsteifigkeit und einem Zustand geringer Formsteifigkeit schaltbar ist.
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Das neue Formwerkzeug ist insbesondere zur Verwendung bei der Herstellung eines Formteils aus einem duroplastischen und/oder thermoplastischen Faserverbundwerkstoff vorgesehen. Die bei der Herstellung derartiger Formteile auftretenden Temperaturen und sonstigen physikalischen Randbedingungen werden von dem neuen Formwerkzeug auch dann gut gemeistert, wenn sein Zwischenelement mit schaltbarer Steifigkeit ein solches ist, bei dem in dem Zustand mit hoher Formsteifigkeit ein Teilchen aufnehmender Raum evakuiert wird, zumal bei der Herstellung von Formteilen aus Faserverbundwerkstoffen das Ausbilden eines Unterdrucks in Teilen des Werkzeugs, normalerweise der Formkavität, übliche Praxis ist und hierfür geeignete temperaturfeste Materialien dem Fachmann bekannt sind.
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Grundsätzlich kann ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug aber auch zum Beispiel zur Herstellung von Formteilen aus einem abbindenden mineralischen Werkstoff, insbesondere Beton, oder auch aus einem Guss- oder Sintermetall verwendet werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile von allen erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
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1 skizziert formvariables Formwerkzeug mit einem ersten Verlauf einer formgebenden Oberfläche.
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2 skizziert das formvariables Formwerkzeug gemäß 1 mit einem zweiten Verlauf der formgebenden Oberfläche.
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3 skizziert ein formvariables Strukturelement, das als formvariables Zwischenelement bei dem Formwerkzeug gemäß 1 und 2 verwendet werden kann, in einem ersten Zustand geringer Formsteifigkeit.
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4 skizziert das Strukturelement gemäß 3 bei einer ersten Relativanordnung seiner Schnittstellen in einem zweiten Zustand hoher Formsteifigkeit.
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5 skizziert das Strukturelement gemäß 3 und 4 bei einer zweiten Relativanordnung seiner Schnittstellen in dem zweiten Zustand hoher Formsteifigkeit; und
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6 skizziert das Strukturelement gemäß den 3 bis 5 bei einer weiteren Relativanordnung seiner Schnittstellen in dem zweiten Zustand hoher Formsteifigkeit.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Das in 1 dargestellte formvariable Formwerkzeug 10 weist eine formsteife Struktur 16 auf, die hier Querbolzen 11 umfasst. Unmittelbar an der formsteifen Struktur 16 sind formsteife plattenförmige Formelemente 12 und 13 steif abgestützt, die seitliche formgebende Oberflächen 18 einer Formkavität 19 ausbilden. Die Formkavität 19 wird zusätzlich von einer formgebenden Oberfläche 15 begrenzt, die von einem flexiblen Formelement 14 ausgebildet wird. Das flexible Formelement 14 stützt sich über ein Zwischenelement 17 an der Struktur 16 ab. Das Zwischenelement 7 weist eine Hülle 4 auf.
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2 zeigt einen gegenüber 1 variierten Verlauf der formgebenden Oberfläche 15, wobei das flexible Formelement 14 nicht eben, sondern gekrümmt ist. Die Umformung des flexiblen Formelements 14 erfolgte in einem Zustand des Zwischenelements 17 mit geringer Formsteifigkeit, in dem auch seine Lage, d. h. die Lage seiner Hülle 4 gegenüber den Querbolzen 11 veränderlich war. Demgegenüber befindet sich das Zwischenelement 17 bei der Verwendung des formvariablen Formwerkzeugs 10 in einem Zustand mit hoher Formsteifigkeit und entsprechend fixierter Lage gegenüber den Querbolzen 11. Zwischen diesen beiden Zuständen ist das Zwischenelement 17 zur Variation der Formkavität 19 reversibel schaltbar. Die hier skizzierte Formkavität 19 kann beispielsweise bei der Herstellung eines Spants aus einem Faserverbundwerkstoff mit variabler Krümmung seines Anschlussbereichs Verwendung finden.
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In den 3 bis 6 ist eine mögliche Ausführungsform eines formvariablen Zwischenelements 17 des formvariablen Formwerkzeug 10 gemäß 1 und 2 dargestellt. Es weist eine Hülle 4 auf, die sackförmig eine Vielzahl von Teilchen 5 umschließt und zusammen mit dem flexiblem Formelement 14 eine allseitige Umhüllung eines die Teilchen 5 aufnehmenden Raums 6 ausbildet. Durch den Raum 6 hindurch verlaufen die Querbolzen 11 der formsteifen Struktur 16. Von der Umhüllung wird der Raum 6 bis auf eine hier nicht dargestellte Evakuierungsöffnung luftdicht umschlossen. In dem in 3 dargestellten Zustand des Zwischenelements 17 mit geringer Formsteifigkeit, in dem die Relativanordnung des flexiblen Formelements 14 gegenüber der der formsteifen Struktur 16 ebenso wie die Form der Schnittstelle 2 variierbar ist, können sich die Teilchen 5 frei in dem Raum bewegen, auch zwischen den Querbolzen 6 hindurch.
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4 zeigt das Zwischenelement 17 nach der Evakuierung des Raums 6. Durch das Vakuum in dem Raum 6 wirkt über die Hülle 4 und das flexible Formelement 14 der durch Pfeile angedeutete Umgebungsdruck 7 auf die Teilchen 5 ein. Die resultierende Kraft auf die Teilchen 5 fixiert die Teilchen 5 durch Reib- und/oder Formschluss aneinander und an den Querbolzen 11 der formsteifen Struktur 16. Hierdurch wird auch die Relativlage des flexiblen Formelements 14 gegenüber der formsteifen Struktur 16 konserviert, d.h. die gewünschte Verformungssteifigkeit des Zwischenelements 17 zwischen dem flexiblen Formelement 15 und der formsteifen Struktur 16 realisiert.
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Bezüglich der konservierbaren Relativlage des flexiblen Formelements 14 gegenüber der formsteifen Struktur 16 und Form des flexiblen Formelements 14 weist das Zwischenelement 17 große Freiheiten auf. 5 zeigt beispielsweise eine zwar ebenfalls parallele und versatzfreie Anordnung des flexiblen Formelements 14 gegenüber der formsteifen Struktur 16, aber in einem geringeren Abstand als in 2, die ebenfalls durch Evakuieren des Raums 6 und entsprechendes Einwirken des Umgebungsdrucks 7 über die Umhüllung als Kraft auf die Teilchen 5 konserviert ist.
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6 zeigt eine Relativanordnung des flexiblen Formelements 14 gegenüber der formsteifen Struktur 16 unter einem Winkel. 6 zeigt zudem eine stochastische Anordnung der Teilchen 5, die tatsächlich auch in den Zuständen der 5 und 6 vorliegt, selbst wenn die dortigen Zeichnungen eine regelmäßige Anordnung der Teilchen 5 innerhalb der Umhüllung suggerieren. Weiter deutet 6 an, dass die Hülle 4 elastisch ist und sich daher unter Einwirkung des Umgebungsdrucks 7 an die Kontur der außen liegenden Teilchen 5 anformt.
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Bezugszeichenliste
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- 4
- Hülle
- 5
- Teilchen
- 6
- Raum
- 7
- Umgebungsdruck
- 10
- Formwerkzeug
- 11
- Querbolzen
- 12
- Formelement
- 13
- Formelement
- 14
- Formelement
- 15
- Oberfläche
- 16
- Struktur
- 17
- Zwischenelement
- 18
- Oberfläche
- 19
- Formkavität
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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