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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
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Bei der Herstellung von Formbauteilen ist es weit verbreitet, gezielt gewünschte Werkstoffeigenschaften in Teilbereichen der Bauteile zu präparieren. In besonderem Maße ist es bei für automotive Anwendungen hergestellten Bauteilen, insbesondere Karosseriestrukturelementen, notwendig, Abschnitte oder Teilbereiche mit unterschiedlichen Härteeigenschaften oder unterschiedlicher Duktilität zu schaffen, da einzelne Bauteile einerseits eine bestimmte Steifigkeit aufweisen müssen und andererseits in speziellen Situationen verformbar sein sollen. In typischen Produktionsprozessen werden Blechbauteile mit einer gewünschten Struktur aus einem Stahlblech umgeformt, insbesondere warm umgeformt. Wie es beispielsweise im Dokument
DE 10 2006 030 509 A1 beschrieben ist, kann mittels induktiven Energieeintrag in lokal begrenzte Bereichen des Blechbauteils eine partielle Veränderung der Werkstoffeigenschaften, insbesondere eine Erhöhung der lokalen Streckgrenze oder der Zugfestigkeit erreicht werden, ohne die unbehandelten Bereiche zu beeinflussen.
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Die Umformung von Bauteilrohlingen erfolgt häufig in Pressen, in welchen gleichzeitig eine Härtung erreicht werden kann, indem das umgeformte Bauteil gezielt abgekühlt wird, siehe dazu beispielsweise das Dokument
DE 10 2007 003 745 A1 . Umformvorrichtungen mit Formwerkzeugen können zum Energieeintrag mit dem Ziel der Erwärmung des eingebrachten Bauteils mit einer oder mehrerer Induktionsvorrichtungen ausgestattet sein, wie es zum Beispiel in den Dokumenten
DE 200 13 665 U1 ,
DE 33 23 377 A1 und
DE 10 2008 051 471 A1 beschrieben ist. Des Weiteren sind beispielsweise im Dokument
DE 10 2005 032 113 B3 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wärmen und zum partiellen Härten beschrieben, in welchem segmentweise verschiedene Temperaturen in einem Presswerkzeug eingestellt werden, so dass während des Pressvorgangs unterschiedliche Temperaturen in Teilbereichen des Bauteils herrschen. Als Wärmeträgermittel gelang ein Öl oder ein Salz zum Einsatz. Damit ein Bauteil nicht vollständig in einen gehärteten Zustand, eine martensitische Gefügestruktur, übergeht, kann vorgesehen sein, dass partiell ein schnelles Abkühlen verhindert wird. Gemäß dem Dokument
DE 197 23 655 A1 können Einsätze oder Ausnehmungen in den Werkzeugen den Abfluss von thermischer Energie aus Teilbereichen des Bauteils verhindern. Zu demselben Zweck wird im Dokument
DE 1 2008 063 985 A1 vorgeschlagen, eine Ausnehmung im Werkzeug mit Gas zu spülen, so dass ein Gaspolster ein Abkühlen mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Rate zu verhindern.
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Ein nicht zu unterschätzender Nachteil beim Einstellen von Abkühlgeschwindigkeiten in einem Bauteil mittels vordefinierter Werkzeugtemperaturen sind die geometrischen Auswirkungen von Temperaturveränderungen. Für eine Reduzierung der Abkühlgeschwindigkeit im Bauteil ist eine Energiezufuhr im Werkzeugteil nötig, wodurch eine Vergrößerung des Werkzeugvolumens über eine akzeptable Toleranzgrenze hinaus in nachteiliger, Weise erfolgen kann, so dass im erhöhten Temperaturbereich die Werkzeuggeometrie nicht mehr die Bauteile in geforderter Präzision beziehungsweise Geometrie umformend pressen kann. Folglich ist die einzustellende Abkühlgeschwindigkeit im Bauteil ein Ausgangsparameter, der die Werkzeuggeometrie bereits für deren Herstellung stark beeinflusst, wobei die spätere Variabilität der Abkühlgeschwindigkeit eingeschränkt ist. Auch ist eine gegebenenfalls durchgeführte Regelung stabiler Werkzeugparameter bei aktiver Werkzeugtemperierung schwierig beziehungsweise träge.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, partiell gehärtete Bauteile mit anforderungsoptimierten Eigenschaften in einem stabilen Prozess herstellen zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils umfasst zumindest ein Warmumformwerkzeug, welches ein erstes Werkzeugteil mit einer ersten Formoberfläche und ein zweites Werkzeugteil mit einer zweiten Farmoberfläche aufweist. Zwischen das erste und das zweite Werkzeugteil ist das eine Temperatur höher als eine Härtetemperatur aufweisende Bauteil, insbesondere ein Rohbauteil, derart einbringbar, dass beim Zusammenpressen der Werkzeugteile durch eine Presse die Kontur der ersten und der zweiten Formoberfläche auf das Bauteil übertragen wird. Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens einen Induktor – auch als Induktionseinrichtung, Induktionsanlage oder dergleichen zu bezeichnen, zumindest eine Induktionsleitung und/oder eine Spule umfassend der im Warmumformwerkzeug aufgenommen ist und mit dem in das Bauteil Energie einbringbar ist. Das erste Werkzeugteil weist wenigstens ein erstes Segment und einzweites Segment auf, und der Induktor ist wenigstens teilweise im ersten Segment angeordnet, wobei der Induktor Energie in einen ersten Teilbereich des Bauteils einbringt, der beim Zusammenpressen der Werkzeugteile am ersten Segment anliegt, und im Wesentlichen keine Energie in einen zweiten Teilbereich des Bauteils einbringt, der beim Zusammenpressen der Werkzeugteile am zweiten Segment anliegt.
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Durch das erfindungsgemäße Vorgehen mittels Induktion erfolgt die Temperierung der im Warmumformwerkzeug befindlichen Bauteile nicht, wie es verbreitet in der Praxis geschieht, über eine einzustellende Werkzeugtemperatur, sondern die Temperierung wird direkt im Bauteil ohne zusätzliche Temperierung der Werkzeugteile realisiert. Eine thermische Beeinflussung der Werkzeugteile ist im Wesentlichen unterbunden beziehungsweise ohne negative Konsequenzen, insbesondere im Hinblick auf die Präzision der Maße.
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In vorteilhafter Konsequenz können Bauteile, beispielsweise Bleche, mit anforderungsoptimierten Eigenschaften in Form härtewerkzeugen mittels segmentweise induktiv gesteuerter und/oder geregelter Abkühlcharakteristik hergestellt werden. Bei partiell gehärteten Formbauteilen ist durch die exakte Einstellbarkeit der Energieneinbringung, der Temperaturgeometrie beziehungsweise der Temperaturverteilung eine im Vergleich zum bisherigen Vorgehen erhöhte Prozessstabilität erreichbar. Gleichzeitig besteht ein hoher Freiheitsgrad bei der geometrischen Auslegung der temperierten Bauteilbereiche.
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Der Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist stabil, aber auch gleichzeitig flexibel gestaltbar, insbesondere im Hinblick auf die Einstellung gradierter Bauteileigenschaften. Da ein späterer Beschnitt in einem duktilen Bereich des Bauteils, insbesondere mit Rm << 1000 MPa, erfolgen kann, ist das Risiko einer wasserstoffinduzierten Rissbildung verringert oder kann sogar bevorzugt ganz unterbunden werden. Darüber hinaus können hohe Eigenspannungen im Schnittkantenbereich reduziert, bevorzugt unterbunden werden.
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Im Vergleich zu einer Werkzeugtemperierung ist bei der Verwendung eines Induktors zum Energieeintrag der Energieverbrauch deutlich gesenkt, da nur für den Zeitraum der Bauteilpressung Leistung benötigt wird und ins Bauteil Energie eingeleitet wird. Ein bedeutsamer Vorteil ist insbesondere darin zu erblicken, dass bei den einstellbaren Abkühlgeschwindigkeiten im Werkzeug die Werkzeuggeometrie im Wesentlichen gleich bleibt, sich nur in einem zulässigen Toleranzbereich verändert. Daher müssen nicht für unterschiedliche Werkzeugtemperaturen und/oder Abkühlratern mehrere Werkzeuge in verschieden gefrästen Geometrien vorgehalten werden. Da erfindungsgemäß kein Temperiermittel, wie beispielsweise ein Öl oder ein Salzverwendet wird, können auch höhere Erwärmungen von mehreren hundert Grad Celsius, insbesondere über 380 Grad Celsius, realisiert werden.
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Konkrete Ausführungsformen des erfindungsgemäß zum Einsatz gelangenden Induktors können jeweils voneinander unterschiedliche Feldformen beziehungsweise Felder mit voneinander verschiedenen relativen Orientierungen zum Bauteil erzeugen. Besonders bevorzugt ist der Induktor ein Linearinduktor, ein Querfeldinduktor oder ein Längsfeldinduktor.
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Ein Werkzeugteil kann modular aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt sein. insbesondere können die Segmente lösbar mechanisch verbindbar sein und/oder Versorgungsschnittstellen aufweisen. Alternativ dazu kann in einer Gruppe von Ausführungsform das Werkzeugteil integral aus einzelnen Segmenten, Bereichen unterschiedlicher Funktionalität, bestehen.
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Die Energieeinbringung beziehungsweise der Induktor kann steuerbar oder in einer Weiterentwicklung regelbar sein, insbesondere können der oder die Induktoren in einzelnen Segmenten unabhängig voneinander steuerbar oder in einer Weiterentwicklung unabhängig voneinander regelbar sein. Auf diese Weise kann die Energieeintragung präzise dosiert und/oder angepasst an das Material des in der Vorrichtung verarbeiteten Bauteils erfolgen. Dabei ist die Einstellung flexibel. Da die induktiv übertragene Energie stufenlos mittels des Induktors erzeugt und transferiert wird, kann eine individuelle Einstellung von Abkühlgeschwindigkeiten oder Abkühlraten in die den Segmenten benachbart liegenden Bereiche des Bauteils vorgenommen werden. Unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten oder Abkühlraten führen dabei zu verschiedenen Materialeigenschaften, insbesondere unterschiedlichen Härten. Verglichen zu einer Temperierung mit einem Temperierfluid ist die Steuerung beziehungsweise Regelung eines Induktors auf den gewünschten Wert deutlich schneller erreicht.
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Darüber hinaus zeigt eine Gesamtabschätzung der aufzuwendenden Energie bei der induktiven Energieeinbringung im Vergleich zur fluidtemperierten Energieeinbringung, dass jene deutlich weniger Energie bedarf und damit deutlich wirtschaftlicher und weniger belastend für die Umwelt ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils darüber hinaus eine Kühleinrichtung, von der wenigstens im zweiten Segment des ersten Werkzeugteils wenigstens ein Teil einer Kühleinrichtung angeordnet ist. Insbesondere umfasst die Kühleinrichtung eine oder mehrere Kühlleitungen, die auch als Kühlkanäle bezeichnet werden. Auf diese Weise können in Zusammenwirkung mit dem insbesondere gleichzeitigen induktiven Energieeintrag des Induktors oder der Induktoren das oder die einzelnen Segmente auf einer gewünschten, insbesondere konstanten Temperatur gehalten oder mit einer gewünschten Rate kontrolliert abgekühlt werden. Sowohl die Temperatur als auch die gewünschte Rate können jeweils unterschiedlich in den einzelnen Segmenten sein. Die Kühleinrichtung kann insbesondere im gesamten ersten Werkzeugteil angeordnet sein und dieses kühlen. Die Kühleinrichtung kann ein Kühlmittel oder ein Kühlfluid, zum Beispiel Wasser oder gasförmiges CO2, als Energietransportmittel aufweisen. Die Kühlrichtung kann derart ausgeführt sein, dass in einzelnen Segmenten voneinander verschiedene Temperaturen einstellbar sind.
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Konkret kann in vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils wenigstens eine Induktionsleitung im Wesentlichen direkt unter der Oberfläche des Werkzeugteils angeordnet sein oder unterhalb/innerhalb eines nicht elektrisch leitenden Materials im Werkzeugteil liegen. Anders gesagt, die Positionierung des Induktors, genauer wenigstens seiner Spule, folgt der zweidimensionalen Werkzeugkontur im dreidimensionalen Raum. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass sich die eine oder mehrere Induktionsleitungen möglichst nah am zu erwärmenden Bauteil befinden, so dass die aufzubringende Leistung des Induktors beziehungsweise dessen aufgenommene Stromleistung möglichst minimal ist. Mit anderen Worten, bei geschlossenem Warmumformwerkzeug liegt ein konstanter Abstand zwischen Bauteil und Induktor beziehungsweise Spule vor. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Energieeinbringung in den mittels des Induktors lokal beeinflussten Bereich im Bauteil realisierbar.
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Darüber hinaus kann das Werkzeugteil in einer vorteilhaften Weiterbildung wenigstens an seiner Oberfläche aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen, so dass die Reduktion der Abkühlgeschwindigkeit unterstützt wird.
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Es kann realisiert sein, dass sich die wirksamen Induktionsleitungen des Induktors der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Wesentlichen in konstantem Abstand zur Oberfläche unterhalb der Oberfläche des Werkzeugteils erstrecken. Der konstante Abstand kann im Wesentlichen oder genau Null betragen. Auf diese Weise wird vorteilhaft erreicht, dass ein gleichmäßiger Abstand zum Bauteil vorliegt, in welche Energie durch Induktion eingebracht werden soll.
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Eine besonders effektive Energieeintragung kann in einer Ausführungsgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch erreicht werden, dass der Induktor, insbesondere dessen Induktionsleitungen, teilweise im ersten Segment des ersten Werkzeugteils und teilweise in einem anderen Segment des zweiten Werkzeugteils liegt, welches dem ersten Segment des ersten Werkzeugteils zugeordnet ist, so dass das erste Segment und das andere Segment in Zusammenwirkung beim Zusammenpressen, insbesondere bei geschlossenem Warmumformwerkzeug, die Konturumformung des Bauteils im ersten Teilbereich bei gleichzeitiger Energiezufuhr bewirken. Die bewirkte Induktion wird auch als Längsfeldinduktion bezeichnet. Die Induktionsleitungen können derart angeordnet sein, dass ein Stromfluss durch die Anordnung erst bei geschlossenem Warmumformwerkzeug möglich ist. Je nach Ausführungsform kann dabei ein Stromfluss auch wenigstens teilweise durch das aufgenommene Bauteil erfolgen oder bevorzugt vermieden werden.
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In einer Vielzahl von Ausgestaltungen ist der Induktor der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem nicht elektrisch leitenden, insbesondere einem nichtmetallischen Material aufgenommen. Auf diese Weise wird eine möglicherweise in der Praxis auftretende Verlustleistung minimiert; es wird nur das Bauteil, aber es werden nicht die Werkzeugbereiche zwischen Induktor und Bauteil erwärmt. Bevorzugt kann das nicht elektrisch leitende oder nichtmetallische Material eine Keramik, ein Glas, ein Naturstein oder ein Kunststein, wie beispielsweise ein Beton (besonders bevorzugt), sein. Insbesondere mittels Beton, bevorzugt Hochleistungsbeton, wird eine geschlossene Werkzeugoberfläche erreicht, so dass die Qualität der präzisen Formgebung des umgeformten Bauteils begünstigt wird. Wird der Induktor in das nicht elektrisch leitende oder nichtmetallische Material, insbesondere den bevorzugten Beton, eingegossen, ist gleichzeitig eine Isolation zum angrenzenden Werkzeugwerkstoff gewährleistet. Anders gesagt, zwischen dem Induktor, konkret eine Induktionsleitung oder eine Spule, und dem Werkzeugwerkstoff kann eine elektrische Isolation vorhanden sein, um einen Stromfluss durch das Werkzeug zu verhindern.
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Die induktiv gesteuerte Abkühlcharakteristik der im Warmumformwerkzeug aufgenommenen Bauteile kann in speziellen Ausführungen gezielt dadurch unterstützt werden, dass die Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten Werkzeugwerkstoffe im Bereich zwischen 1,0 W/(K·m) (Watt pro Kelvin Meter) und 100 W/(K·m), bevorzugt zwischen 1,6 W/(K·m) und 70 W/(K·m), liegen.
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Findet gleichzeitig eine Kühlung statt, kann die Matrix des nicht elektrisch leitenden Materials, insbesondere die Betonmatrix, aktiv ebenfalls mitgekühlt werden. Dadurch sind gleichbleibende Prozessbedingungen im Werkzeug, vornehmlich vor jeder neuen Abpressung, gegeben.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Warmumformen und partiellen Härten können das erste und das zweite Werkzeugteil im Wesentlichen aus einem oder mehreren nicht magnetisierbaren und/oder nichtmetallischen Materialien bestehen. Insbesondere ist das nicht magnetisierbare Material nicht ferromagnetisch, nicht ferrimagnetisch und/oder nicht paramagnetisch.
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Die induktiv erzeugte Energie wird dann nicht schon im Werkzeug absorbiert, sondern erfindungsgemäß mit hohem Wirkungsgrad ins Bauteil eingebracht.
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Im Zusammenhang des erfinderischen Gedankens steht auch ein Verfahren zum Warmumformen und partiellen Härten eines Bauteils. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Bauteil mit einer Temperatur höher als eine Härtetemperatur in ein Warmumformwerkzeug, welches ein erstes Werkzeugteil mit einer ersten Formoberfläche und ein zweites Werkzeugteil mit einer zweiten Formoberfläche aufweist, eingebracht. Die Werkzeugteile werden mittels einer Presse derart zusammengepresst, dass die Kontur der ersten und der zweiten Formoberfläche auf das Bauteil übertragen wird. Es wird Energie in das Bauteil durch wenigstens einen im Warmumformwerkzeug aufgenommen Induktor eingebracht, insbesondere nach der erfolgten Warmumformung. Dabei wird erfindungsgemäß die Energie durch den Induktor in einen ersten Teilbereich des Bauteils zur Verringerung einer Abkühlgeschwindigkeit, mit der sich das Bauteil im Warmumformwerkzeug abkühlt, eingebracht, während wenigstens in einem zweiten Teilbereich des Bauteils die Abkühlgeschwindigkeit durch die Wirkung des Induktors im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt.
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Detailliert betrachtet erfolgt im Warmumformwerkzeug zunächst die Umformung des temperierten Bauteils. Anschließend bleibt das Warmumformwerkzeug geschlossen, während sich unter definierter zeitunabhängiger oder zeitabhängiger Flächenpressung das Bauteil abkühlt, insbesondere unterstützt durch Benutzung einer Kühlvorrichtung. In dieser Prozessphase, der Haltezeit im Warmumformwerkzeug, erfolgt die Abkühlung des Bauteils, wobei in einem oder mehreren (lokalen) Bauteilbereichen, die insbesondere vorher festgelegt sind, durch induktive Energiezufuhr die Abkühlung verringert oder verzögert wird.
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Die unbearbeiteten Bauteile können manuell oder automatisch, zum Beispiel mittels eines Roboters, in der Warmumformwerkzeug, genauer in eines der Werkzeugteile eingelegt werden. Nach der erfindungsgemäßen Bearbeitung können dann die Bauteile manuell oder automatisch, zum Beispiel mittels eines Roboters, entnommen werden.
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In einer Gruppe von konkreten vorteilhaften Ausführungsformen wird das Bauteil im Warmumformwerkzeug in der Art gekühlt, dass die Abkühlgeschwindigkeit, insbesondere die generelle Abkühlgeschwindigkeit für das gesamte Bauteil ohne Einwirkung des oder der Induktoren, auf einen bestimmten Wert einstellbar ist. Der Wert kann insbesondere vorbestimmt oder festgelegt sein. Sein konkreter Betrag kann insbesondere von dem zu verarbeitenden Material der Bauteile abhängen.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Induktor zeitabhängig und/oder wegabhängig und/oder kraftabhängig, insbesondere in Bezug auf den Takt und/oder Arbeitsparameter der Presse, geregelt.
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Ein weiterer Vorteil stellt sich ein, wenn die in ein Formhärteverfahren integrierte Erwärmungstechnologie, vorzugsweise mittels Induktion, in einem Fertigungsprozess für das folgende Ablaufverfahren genutzt wird.
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Konstante Energie-/Wärmeeinbringung durch eine konstante Induktionsleistung während des Pressvorganges des Bauteiles. Dadurch soll entweder eine geregelte Abkühlung im induktiv beeinflussten Bauteilbereich erzielt bzw. das Halten der Bauteiltemperatur oberhalb von 500 Grad Celsius erreicht werden.
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Einstellung eines definierten Temperaturbereiches im induktiv beeinflussten Bauteilbereich. Dies beinhaltet das gezielte Abkühlen bis auf eine definierte Temperatur, die dann bis zur Bauteilentnahme aus dem Formhärtewerkzeug gehalten wird. Dies kann zum Beispiel eine Einlegetemperatur von 900 Grad Celsius sein, das Werkzeug schließt und kühlt dabei das gesamte Bauteil ab. Ab Unterschreiten einer in der Regel definierten Temperaturuntergrenze von beispielsweise 500 Grad Celsius wird die Induktionsanlage eingeschaltet, gewährleistet einen definierten Energieeintrag in den induktiv beeinflussten Bauteilbereich und schaltet diese bei einer Obergrenze von beispielsweise 550 Grad Celsius wieder ab.
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Bei einer gepulsten Induktionserwärmung der definierten Bauteilbereiche kann die gepulste Energieeinbringung sowohl zeit- als/und auch temperaturgesteuert erfolgen (stufenweises Abkühlen). Nach Erreichen der Entnahmetemperatur des Bauteils im geschlossenen Formhärtewerkzeug wird mittels Induktionserwärmung ein Anlassen der definierten Bauteilbereiche, die mittels Induktion beeinflusst werden, erzielt. Die gewählten Anlasstemperaturen können dabei zwischen 200 Grad Celsius und 900 Grad Celsius betragen.
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Dabei sind folgende Induktorgeometrien möglich:
Linearinduktor, Querfeldinduktor, Längsfeldinduktor (mit geteiltem Induktor, der bei Werkzeugschluss einen elektronischen Kontakt erfährt), Gitterinduktoren, Netzinduktoren. Alle Induktorgeometrien sind segmentiert ansteuerbar, das heißt definierte Induktorabschnitte können entweder abgeschaltet, bzw. mit differenzieller Stromstärke beaufschlagt werden. Damit können gezielte Bauteileigenschaften in den jeweiligen Bauteilbereichen unterschiedlich und individuell, je nach Anforderung eingestellt werden. Alternativ ist die Induktorlage im Werkzeug veränderbar, zum Beispiel verschiebbar.
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Folgende Einbettvarianten des Induktors sind beispielhaft möglich:
Induktoreinbettung in separate Werkstoffe, die nicht elektrisch leitende Eigenschaften aufweisen und somit keine induktive Erwärmung zulassen.
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Das Einbettmedium kann dabei sowohl hohe, als auch sehr geringe Wärmeleitfähigkeiten bzw. Wärmeübergangskoeffizienten besitzen. (z. B. Keramik)
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Weiterhin ist es möglich, den Induktor so nah wie möglich an der Werkzeugoberfläche zu positionieren, wobei er jedoch vor einem unmittelbaren Werkstückkontakt und damit vor Verschleiß (z. B. abrasiver Verschleiß durch einen Pressvorgang) zu schützen ist. Zudem muss ein elektrischer Kontakt zwischen Induktor und Werkstück/Bauteil vermieden werden. Einbettmaterialien können hier zum Beispiel Beton, Hochleistungskunststoff, Keramik oder Konzentratoren (in einen Kunststoff oder ein anderes Trägermaterial eingebettetes Ferritpulver) sein. Durch die Einbettung des Ferritpulvers im Kunststoff ist kein Elektrodenfluss von Ferritkorn zu Ferritkorn möglich, wodurch Wirbelströme im Konzentrator vermieden werden können. Dies wiederum verhindert eine Wärmeentwicklung und Hystereseverluste.
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Folgende Anschlussvarianten der Induktoren sind bevorzugt möglich. Die Anschlussvarianten der im Werkzeug integrierten Induktoren an die Induktionsanlage sind entweder starr oder mittels Schnellkupplung ausgelegt. Dabei muss nicht zwangsläufig der Kühlkreislauf des Induktors im Werkzeug von der Induktionsanlage versorgt werden. Mit Hilfe einer ausreichenden Flächenpressung kann somit auch ggf. nur der elektrische Kontakt zwischen Induktor und Induktionsanlage realisiert werden. Damit ist ein schneller Werkzeugumrüstvorgang möglich. Dabei können der Kühlmittelanschluss und der elektrische Anschluss auch getrennt voneinander erfolgen, so dass der Kühlmittelkreislauf des Werkzeuges in einfacher Weise nutzbar ist.
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Die Induktorlage im Werkzeug wird variabel ausgelegt. Dadurch kann mittels aktiv regelbarer Abstandsvariationen die induktiv eingebrachte Energie in das Bauteil angepasst werden. Für eine hohe Härte wird der Induktor möglichst weit vom Bauteil positioniert, für eine mittlere Härte demgegenüber etwas dichter am Bauteil und für eine geringe Härte möglichst dicht am zu bearbeitenden Bauteil.
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Eine mögliche segmentierte Ansteuerung einzelner Induktorbereiche soll gewährleisten, dass je nach Anforderung der technischen Entwicklung (beispielsweise lokal begrenzte Flanschbereiche) bestimmte Bauteilbereiche eine definierte Abkühlung erfahren. Des Weiteren können so individuell unterschiedliche Festigkeitseigenschaften im Bauteil erzeugt werden.
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Die Auslegung des Formhärtewerkzeuges kann in vorteilhafter Weise wie im Folgenden erläutert erfolgen. In die Formhärtewerkzeuge werden Nuten in die Oberfläche eingebracht, in die speziell angefertigte Einsätze kraft und-/oder formschlüssig eingesetzt werden. Diese Einsätze sind mit einer Verschleißschutzschicht versehene Induktorplatten, bzw. Induktorschleifen, die in ein nicht elektrisch leitendes Material eingebettet sind.
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Zum Einsatz gelangt die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt bei der Umformung und partiellen Härtung von Formbauteilen für automotive Anwendungen. Die Bauteile sind insbesondere Blechteile, zum Beispiel Karosserieteile, wie Trägerelemente, Säulen oder Strukturbauteile.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Warmumformen und zum partiellen Härten mit einem bewegbaren Obergesenk, geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 mit einer Teilfigur A und einer Teilfigur B, wobei in der Teilfigur A ein Ausschnitt einer ersten Ausführungsform eines Werkzeugs und in der Teilfigur B ein Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Werkzeugs gezeigt sind,
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3 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Werkzeugsegments mit einer Induktionsleitung an der Werkzeugoberfläche,
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4 eine Querschnittsarisicht einer alternativen Ausführungsform eines Werkzeugsegments mit einer Induktionsleitung unterhalb der von einem nicht elektrisch leitfähigen Material bedeckten Werkzeugoberfläche, und
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5 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer Ausführungsform eines Werkzeugsegments mit einer schlaufenförmigen Induktionsleitung.
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Die 1 stellt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Warmumformen und zum partiellen Härten mit einem bewegbaren Obergesenk 12 und einem feststehenden Untergesenk 14 dar. Die Vorrichtung 10 ist geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Vorrichtung 10 umfasst ein Warmumformwerkzeug mit einem ersten Werkzeugteil 16, auch als Stempel zu bezeichnen, am Untergesenk 14 und einem zweiten Werkzeugteil 18, auch als Matrize zu bezeichnen, am Obergesenk 12. Das zweite Werkzeugteil 18 ist mittels eines Pressenantriebs 22 derart bewegbar in der Richtung der Pressenbewegung 20, dass es auf den ersten Werkzeugteil 16 abgesenkt werden kann. Der auf diese Weise aufgebrachte Druck ermöglicht die Umformung eines Rohbauteils 24, hier exemplarisch ein Flachstück, welches zwischen die Werkzeugteile 16, 18 eingebracht wird, zu einem Bauteil 26 mit einer Kontur oder Formgebung, hier exemplarisch eine wellenartige Formgebung gezeigt. Typische Werkstoffe eines Rohbauteils sind dabei Stähle. Das Rohbauteil 24 wird dabei mit einer Temperatur oberhalb einer Härtetemperatur beginnend umformend geprasst. Während des Pressvorgangs kühlt sich das Bauteil 26 ab. In der schematisch dargestellten Ausführungsform wird das Rohbauteil bereits mit einer entsprechend hohen Temperatur in das Warmumformwerkzeug eingeführt oder eingelegt. Alternativ dazu können aber auch erfindungsgemäße Vorrichtungen mit einer oder mehreren Heizvorrichtungen zum Aufwärmen der Rohbauteile über die besagte Härtetemperatur ausgestattet sein.
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Erfindungsgemäß ist das Warmumformwerkzeug segmentiert. Die in der 1 gezeigte Ausführungsform weist im ersten Werkzeugteil 16 ein erstes Segment 28 und ein zweites Segment 30 auf. Die Segmente sind einzelne Abschnitte oder Bereiche des ersten Werkzeugteils 16. Der Werkzeugteil 16 weist sowohl im ersten als auch im zweiten Segment, 28, 30 eine Kühlung 32, auch als Temperierung zu bezeichnen, auf. Mittels der Kühlung 32 ist die Abkühlgeschwindigkeit für das im geschlossenen Warmumformwerkzeug gehaltene Bauteil 26 einstellbar oder regulierbar. Dabei kann die Abkühlgeschwindigkeit für das ganze Bauteil 26, also in allen an den Segmenten des Warmumformwerkzeugs anliegenden Bereichen, gleich schnell sein. Insbesondere kann sie auf einen so hohen Wert eingestellt sein, dass das Bauteil 26 ohne weitere Maßnahmen gehärtet wird.
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Darüber hinaus weist das Warmumformwerkzeug erfindungsgemäß einen Induktor 34 im ersten Segment 28 auf. Der Induktor 34 ermöglicht einen Energieeintrag in einen ersten Teilbereich 46 des Bauteils 26, welcher am ersten Segment 28 anliegt, wenn sich das Bauteil 26 im Warmumformwerkzeug befindet. Der Energieeintrag ist vernachlässigbar gering in einen zweiten Teilbereich 48 des Bauteils 26 hinein, welcher am zweiten Segment 30 anliegt, während das Bauteil 26 im Warmumformwerkzeug aufgenommen ist. Der Energieeintrag führt zu einer Verlangsamung oder Verringerung des im Warmumformwerkzeug herrschenden, mittels der Kühlung 32 einstellbaren Abkühlgeschwindigkeit im ersten Teilbereich 48 des Bauteils 26. Erfindungsgemäß wird dabei eine derart niedrige Abkühlgeschwindigkeit erreicht beziehungsweise eingestellt oder gewählt, dass im ersten Teilbereich 48 des Bauteils 26 keine Härtung eintritt, sondern andere Materialeigenschaften, insbesondere eine gewünschte oder vorgesehene Duktilität, erreicht werden.
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Die 2 hat eine Teilfigur A und eine Teilfigur B. In der Teilfigur A ist ein Ausschnitt einer ersten Ausführungsform eines Werkzeugteils eines Warmumformwerkzeugs und in der Teilfigur B ein Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Werkzeugteils eines Warmumformwerkzeugs gezeigt. Das Werkzeugteil in der Teilfigur A weist ein erstes Segment 28, ein zweites Segment 30 und ein drittes Segment 36 auf, welche jeweils in dieser Reihenfolge benachbart unmittelbar aneinander grenzen. Die drei Segmente bilden auf der gezeigten Oberseite eine Kontur in Form einer zweidimensionalen gekrümmten Räche aus, welche einem das Werkzeugteil unter Pressdruck kontaktierenden Bauteil beim Warmumformprozess formgebend plastisch aufgeprägt wird. Alle drei Segmente 28, 30, 36 weisen Kühlleitungen 38 zur Temperierung des Werkzeugteils auf, so dass ein gehaltenes Bauteil kontrolliert mit gewünschter Rate abgekühlt wird. Sowohl im ersten Segment 28 als auch im dritten Segment 36 befinden sich Induktionsleitungen 40, welche an oder unmittelbar unter der jeweiligen Oberfläche des Segments 28, 36 angeordnet sind, so dass den dort anliegenden Bereichen eines Bauteils entgegen der Kühlwirkung der Kühlleitungen 38 Energie zugeführt wird, wodurch eine Abkühlung nur mit einer geringeren oder verzögerten Rate in diesen Bereichen erfolgt. Typischerweise wird bei der Abkühlung das Temperaturfenster von 700 bis 300 Grad Celsius durchlaufen.
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In der Teilfigur B ist eine alternative Ausführungsform eines Werkzeugteils mit drei Segmenten 28, 30, 36 gezeigt, welche alle drei Kühlleitungen 38 aufweisen, während im ersten Segment 28 und im dritten Segment 36 darüber hinaus noch Induktionsleitungen 40 vorhanden sind. Die Funktionsweise und der Zweck sind im Wesentlichen identisch zur in der Teilfigur A gezeigten Ausführungsform. Die Induktionsleitungen 40 der gezeigten Ausführungsform liegen unterhalb der ein zu bearbeitendes Bauteil kontaktierenden Oberfläche des Werkzeugteils.
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Das erste und dritte Segment 28, 36 sind aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit kleiner als 10 W/(K·m). Beispielsweise handelt es sich um die Werkstoffe GTCS-550 oder GTCS-K160. Dagegen gelangt für das zweite Segment 30 ein Werkstoff mit hoher Wärmekapazität und/oder mit hoher Wärmeleitfähigkeit zum Einsatz, um die Haltezeit möglichst kurz zu halten. Alternativ dazu können aber das erste und das dritte Segment 28, 36 aus hoch wärmeleitfähigem Material, zum Beispiel aus dem Werkstoff HTCS-130wu, ausgelegt sein.
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In den beiden, in den Teilfiguren der 2 gezeigten Ausführungsformen erlangt ein umgeformtes und gehaltenes Bauteil im am zweiten Segment 30 anliegenden Bereich eine gewünschte, bevorzugt maximale Härte, während in den am ersten Segment 28 und dritten Segment 36 aufgrund der langsameren Abkühlung eine gewünschte, bevorzugt maximale Duktilität erzielt wird. Die unterschiedlichen Anordnungen der Induktionsleitungen 40 können auch in weiteren Ausführungsformen von Werkzeugteilen gleichzeitig in denselben oder in unterschiedlichen Segmenten enthalten sein.
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Die 3 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Werkzeugsegments mit einer Induktionsleitung 40 an der Werkzeugoberfläche. Durch diese Anordnung entsprechend der in der Teilfigur A der 2 gezeigten Ausführungsform wird erreicht, dass der einwirkende Teil des Induktors sich mit minimalem Abstand, bevorzugt unmittelbar oder direkt am umzuformenden und zu haltenden Bauteil anliegt, so dass möglichst effizient und ohne vermeidbare Verluste der Energieeintrag in das Bauteil erfolgen kann.
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Die 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Werkzeugsegments mit einer Induktionsleitung 40 unterhalb der von einem nicht elektrisch leitfähigen Material 42 bedeckten Werkzeugoberfläche. Diese Ausführungsform stellt eine besonders vorteilhafte Weiterentwicklung der in der Teilfigur B der 2 gezeigten Ausführungsform dar. Mittels des zwischen Induktionsleitung 40 und die Werkzeugoberfläche kontaktierenden, umzuformenden und zu haltenden Bauteil angeordneten Materials 42 wird die induktiv gesteuerte Abkühlcharakteristik im Warmumformwerkzeug gezielt unterstützt. Das Material 42 ist aufgrund seiner bestimmten Wärmeleitfähigkeit gezielt ausgewählt. In einer nicht zeichnerisch dargestellten Erweiterung der in der 4 gezeigten Ausführungsform liegt die Induktionsleitung nicht nur unterhalb eines nicht elektrisch leitfähigen Materials 42, sondern ist in das nicht elektrisch leitfähige Material 42 eingebettet. Anders ausgedrückt, die Induktionsleitung 40 ist vom nicht elektrisch leitfähigen Material 42 ummantelt. Beispielsweise kann die Induktionsleitung 40 in Beton eingegossen sein. Eine Induktionsleitung 40 mit rechteckigem Querschnitt kann in nicht elektrisch leitfähigem Material 42 mit rechteckigem Querschnitt, der bevorzugt geometrisch ähnlich und/oder proportional zum Querschnitt der Induktionsleitung 40 ist, eingebettet sein.
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Die 5 stellt schematisch eine dreidimensionale Ansicht einer Ausführungsform eines Werkzeugsegments mit einer schlaufenförmigen Induktionsleitung dar. Das Werkzeugsegment ist Teil eines hier nicht weiter graphisch dargestellten Werkzeugteils eines Warmumformwerkzeugs. Im ersten Segment 28 sind Kühlleitungen vorhanden, und an der Oberfläche, welche im Einsatz ein umzuformendes Bauteil kontaktiert, befindet sich eine Induktionsschleife 44, die sich mit zwei antiparallelen Induktionsleitungen längs des ersten Segments 28 erstreckt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung zum Warmumformen und partiellen Härten
- 12
- Obergesenk
- 14
- Untergesenk
- 16
- erster Werkzeugteil
- 18
- zweiter Werkzeugteil
- 20
- Pressbewegung
- 22
- Pressenantrieb
- 24
- Rohmaterial
- 26
- Bauteil
- 28
- erstes Segment
- 30
- zweites Segment
- 32
- Kühlung
- 34
- Induktor
- 36
- drittes Segment
- 38
- Kühlleitung
- 40
- Induktionsleitung
- 42
- nicht elektrisch leitendes Material
- 44
- Induktionsschlaufe
- 46
- erster Teilbereich
- 48
- Zweiter Teilbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006030509 A1 [0002]
- DE 102007003745 A1 [0003]
- DE 20013665 U1 [0003]
- DE 3323377 A1 [0003]
- DE 102008051471 A1 [0003]
- DE 102005032113 B3 [0003]
- DE 19723655 A1 [0003]
- DE 12008063985 A1 [0003]
