DE102012101704A1

DE102012101704A1 - Flexibles Formwerkzeug

Info

Publication number: DE102012101704A1
Application number: DE201210101704
Authority: DE
Inventors: Philipp Hilmer; Mark Opitz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: DE102012101704B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Formwerkzeug (1) zur Herstellung eines Bauteils, das aus einem in das Formwerkzeug (1) eingebrachten Halbzeug gebildet wird, wobei a) eine formgebende Werkzeugoberfläche (2), an der das in das Formwerkzeug (1) eingebrachte Halbzeug zur Formgebung des späteren Bauteils anliegt, b) eine Stelleinrichtung (3) mit einer Mehrzahl von Stellelementen (5, 12), die jeweils zur partiellen Verformung der Werkzeugoberfläche (2) eingerichtet sind und mit dieser derart zusammenwirken, dass durch die Verformung der Werkzeugoberfläche (2) die Einstellung der Formgebung erfolgt, und eine Temperiereinrichtung (6) mit einer Mehrzahl von Temperierelementen (7, 13), die jeweils zur partiellen Temperierung der Werkzeugoberfläche (2) ausgebildet sind, vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Bauteils, das aus einem in das Formwerkzeug eingebrachten Halbzeug gebildet wird.
Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen werden in der Regel Formwerkzeuge verwendet, die dem späteren Faserverbundbauteil seine entsprechende geometrische Form verleihen. Hierzu weist das Formwerkzeug eine Werkzeugoberfläche auf, welches als Negativform die entsprechende geometrische Struktur des späteren Bauteils aufweist. In dieses Formwerkzeug wird dann ein Halbzeug eingebracht und an die Werkzeugoberfläche angelegt. Je nach Herstellungsverfahren wird dann das Halbzeug mit dem Matrixharz infiltriert und anschließend ausgehärtet.
Aber auch bei der Umformung von thermoplastischen Kunststoffen werden Formwerkzeuge verwendet, um den späteren Bauteilen die gewünschte geometrische Form zu verleihen.
Durch eine starre Werkzeugoberfläche ist das Formwerkzeug jedoch auf eine einzige geometrische Bauteilform beschränkt. So muss für jedes gewünschte Bauteil ein entsprechendes Formwerkzeug hergestellt werden, dessen Werkzeugoberfläche die entsprechende geometrische Form aufweist. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von Kleinstserien unwirtschaftlich und unprofitabel.
Darüber hinaus sind derartige Formwerkzeuge meist nur global temperierbar, beispielsweise mit Hilfe eines Ofens, so dass auf konkrete lokale Begebenheiten des Bauteils oder der verwendeten Materialien keine Rücksicht genommen werden kann. So ist es nicht selten, dass beim Ablauf der exothermen Harzreaktion es im Bauteil zu lokalen Überhitzungen kommt, die zu Schäden an dem Bauteil führen können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Formwerkzeug anzugeben, das für die Herstellung verschiedenster Bauteilformen, insbesondere bei Einzelanfertigungen oder Kleinstserien geeignet ist und demnach auf lokale Besonderheiten des herzustellenden Bauteils bezüglich der Temperierbarkeit Einfluss genommen werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem Formwerkzeug der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass

a) eine formgebende Werkzeugoberfläche, an der das in das Formwerkzeug eingebrachte Halbzeug zur Formgebung des späteren Bauteils anliegt,
b) eine Stelleinrichtung mit einer Mehrzahl von Stellelementen, die jeweils zur partiellen Verformung der Werkzeugoberfläche eingerichtet sind und mit der Werkzeugoberfläche derart zusammenwirken, dass durch die Verformung der Werkzeugoberfläche die Einstellung der Formgebung erfolgt, und
c) eine Temperiereinrichtung mit einer Mehrzahl von Temperierelementen, die jeweils zur partiellen Temperierung der Werkzeugoberfläche ausgebildet sind, vorgesehen sind.

Demnach wird erfindungsgemäß ein Formwerkzeug vorgeschlagen, das eine formgebende Werkzeugoberfläche hat, an der das in das Formwerkzeug eingebrachte Halbzeug zur Formgebung des späteren Bauteils anliegt. Des Weiteren weist das Formwerkzeug eine Stelleinrichtung auf, das eine Mehrzahl von Stellelementen hat. Die Stellelemente sind jeweils zur partiellen Verformung der Werkzeugoberfläche zur Einstellung der Formgebung eingerichtet. Durch ein entsprechendes Zusammenwirken der Stellelemente lässt sich so die Form der Werkzeugoberfläche dynamisch und flexibel einstellen, ohne dass hierfür eine entsprechende neue Werkzeugoberfläche mit der gewünschten Form angefertigt werden muss.
Jedes der Stellelemente ist dabei zur partiellen Verformung der Werkzeugoberfläche eingerichtet, so dass jedes Stellelement die Werkzeugoberfläche in einem bestimmten Bereich der Werkzeugoberfläche individuell verformen kann. Durch die Einstellung aller Stellelemente ergibt sich dann eine Gesamtformgebung der Werkzeugoberfläche für das herzustellende Bauteil.
Jedes Stellelement kann separat durch die Stelleinrichtung angesteuert werden, so dass sich eine individuelle Verformung der Werkzeugoberfläche erreichen lässt. Jedes Stellelement kann die Werkzeugoberfläche in einem dem jeweiligen Stellelement zugeordneten Bereich der Werkzeugoberfläche partiell verformen, wobei die Verformung durch Aufbringen einer Kraft bezüglich der Ebene der Werkzeugoberfläche erfolgt.
Darüber hinaus weist das Formwerkzeug eine Temperiereinrichtung auf, die eine Mehrzahl von Temperierelementen hat. Die Temperierelemente sind dabei jeweils zur partiellen Temperierung der Werkzeugoberfläche ausgebildet, um so die Werkzeugoberfläche lokal und individuell über die gesamte Oberfläche hinweg temperieren zu können. Die Temperierelemente wirken mit der Werkzeugoberfläche dabei derart zusammen, dass sich in unterschiedlichen Bereichen der Werkzeugoberfläche eine unterschiedliche und individuelle Temperierung der Werkzeugoberfläche erreichen lässt.
Durch die partielle Temperierung der Werkzeugoberfläche mittels der jeweiligen Temperierelemente lässt sich somit für den durch die Temperierelemente abgedeckten Bereich der Werkzeugoberfläche eine von den anderen Bereichen verschiedene Temperierung der Werkzeugoberfläche erreichen, so dass auf die konkreten Anforderungen des herzustellenden Bauteils mittels einer individuellen und lokalen Temperierung Einfluss genommen werden kann.
Jedes Temperierelement kann die Werkzeugoberfläche in einem dem jeweiligen Temperierelement zugeordneten Bereich der Werkzeugoberfläche partiell temperieren.
Somit können insbesondere bei Einzelanfertigungen oder Kleinstserien die Kosten für die Herstellung der benötigten Formwerkzeuge erheblich gesenkt werden, da nicht nur die gewünschte Form individuell eingestellt werden kann, sondern die für die Herstellung benötigte Temperierung individuell an das herzustellende Bauteil angepasst werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform hat zumindest ein Teil der Stellelemente jeweils einen mit einem Fluid beaufschlagbaren elastischen Hohlkörper. Ein derartiger elastischer Hohlkörper kann beispielsweise ein mit Fluid beaufschlagbarer Ballon sein. Die Stelleinrichtung ist nun derart eingerichtet, dass die einzelnen elastischen Hohlkörper separat mit einem Fluid beaufschlagt werden können, um die Werkzeugoberfläche durch die elastischen Hohlkörper jeweils partiell zu verformen. Hierbei kann eine flexible Schicht als Werkzeugoberfläche vorgesehen sein, um eine homogenisierende Oberfläche des Formwerkzeuges zu erhalten.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die elastischen Hohlkörper aneinander angrenzen und dadurch die gemeinsame, formgebende Werkzeugoberfläche bilden. Werden nun einzelnen elastischen Hohlkörper mit einem entsprechenden Fluid stärker beaufschlagt als andere, so ergibt sich eine entsprechende Verformung der Oberfläche.
Des Weiteren ist es in dieser Ausführungsform ganz besonders vorteilhaft, wenn die Temperiereinrichtung zum separaten Temperieren des beaufschlagten Fluids des jeweiligen elastischen Hohlkörpers eingerichtet ist. Dadurch kann die Werkzeugoberfläche partiell temperiert werden, d.h. auf der gesamten Werkzeugoberfläche lassen sich an verschiedenen Bereichen unterschiedliche Temperierungen einstellen. Werden die elastischen Hohlkörper mit einem temperierten Fluid beaufschlagt, um die Werkzeugoberfläche partiell zu temperieren, so bilden die elastischen Hohlkörper dann jeweils ein Temperierelement.
Es ist aber auch denkbar, dass die elastischen Hohlkörper jeweils ein separates Temperierelement zum Temperieren des jeweiligen elastischen Hohlkörpers aufweisen. Durch die Temperierung des elastischen Hohlkörpers mittels der separaten Temperierelemente lässt sich so partiell die Werkzeugoberfläche temperieren.
Solche Temperierelemente, die zum Temperieren des elastischen Hohlkörpers vorgesehen ist, können beispielsweise entsprechende Zu- und Abläufe an den elastischen Hohlkörpern sein, die separat mit einem temperierbaren Fluid beaufschlagbar sind. Denkbar sind aber auch entsprechende Heizleiter, die in dem elastischen Hohlkörper oder an dessen Oberfläche angeordnet werden und von der Temperiereinrichtung separat zur Temperierung der Werkzeugoberfläche angesteuert werden können.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform weist zumindest ein Teil der Stellelemente jeweils mindestens einen Aktuator auf, der zum Aufbringen einer mechanischen, hydraulischen, pneumatischen und/oder piezoelektrischen Kraft zur partiellen Verformung der Werkzeugoberfläche ausgebildet ist. Das Stellelement mit dem Aktuator wirkt dabei mit der Werkzeugoberfläche derart zusammen, dass durch Aufbringen der jeweiligen Kraft bezüglich der Ebene der Werkzeugoberfläche die Werkzeugoberfläche verformt werden kann. Hierbei ist es selbstverständlich denkbar, dass die Stellelemente nebeneinander so angeordnet sind, dass sie die Werkzeugoberfläche bilden.
Vorteilhafterweise kann die formgebende Werkzeugoberfläche auch durch eine Schicht aus einem flexiblen Material gebildet werden. Hierbei sind die Temperierelemente der Temperiereinrichtung mit der Schicht thermisch derart verbunden und wirken thermisch derart mit ihr zusammen, dass die Werkzeugoberfläche partiell temperierbar ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Temperierelemente in oder an der flexiblen Schicht separat angeordnet werden, so dass eine partielle Temperierung, unabhängig von den anderen Temperierelementen, an der Werkzeugoberfläche erreicht werden kann. Die Stellelemente der Stelleinrichtung wirken darüber hinaus mit der Schicht mechanisch derart zusammen, dass die Werkzeugoberfläche partiell verformbar ist. Denn durch eine partielle Verformung der flexiblen Schicht wird auch die Werkzeugoberfläche, an der das Halbzeug anliegt, verformt, wobei eine homogenisierende Werkzeugoberfläche erreicht wird, die entsprechend geebnet ist.
Eine derartige Schicht aus flexiblem Material kann beispielsweise aus Silikon, Polymer und/oder Blech bestehen.
Die Stellelemente der Stelleinrichtung wirken mit der Werkzeugoberfläche derart zusammen, dass durch Aufbringen einer Kraft auf die Werkzeugoberfläche eine Verformung der Werkzeugoberfläche bewirkt wird. Die Temperierelemente der Temperiereinrichtung wirken darüber hinaus mit der Werkzeugoberfläche derart zusammen, dass in unterschiedlichen Bereichen der Werkzeugoberfläche verschiedene Temperaturen einstellbar sind. Angrenzende Temperierelemente in Bezug auf die Ebene der Werkzeugoberfläche können in ihren jeweiligen Bereichen der Werkzeugoberfläche unterschiedliche Temperaturen derart einstellen, dass das anliegende Halbzeug entsprechend nach seinen Bedürfnissen temperiert wird.
Die Temperierelemente können in und/oder an der flexiblen Schicht angeordnet sein.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 – Formwerkzeug mit elastischen Hohlkörpern;
2 – Formwerkzeug mit einer elastischen Schicht.
1 zeigt ein Formwerkzeug 1, das eine formgebende Werkzeugoberfläche 2 hat. Durch Einbringen eines nicht dargestellten Halbzeuges in das Formwerkzeug 1 liegt das Halbzeug zur Formgebung an der Werkzeugoberfläche 2 an. Bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils ist es beispielsweise denkbar, dass nach dem Einbringen des Faserhalbzeuges in das Formwerkzeug 1 ein Gegenstück in das Formwerkzeug 1 eingebracht wird (nicht dargestellt), um so das Halbzeug an die Werkzeugoberfläche 2 anzupressen.
Des Weiteren weist das Formwerkzeug 1 eine Stell- und Temperiereinrichtung 3 auf, die über Fluid gefüllte Kanäle 4 mit der Stell- und Temperiereinrichtung 3 verbundene Stellelemente 5 hat. Bei den Stellelementen 5 handelt es sich um elastische Hohlkörper, die durch Beaufschlagung mit einem Fluid die Werkzeugoberfläche 2 partiell an der Position des jeweiligen Stellelementes 5 verformen können. Jedes der elastischen Hohlkörper bzw. Stellelemente 5 ist über einen separaten Fluidkanal 3 mit der Stell- und Temperiereinrichtung 3 verbunden, wobei die Stell- und Temperiereinrichtung 3 jedes Stellelement separat mit einem Fluid beaufschlagen kann, so dass jedes Stellelement mit einem individuellen Druck beaufschlagbar ist.
Die Werkzeugoberfläche 2 kann auch durch eine (nicht dargestellte) flexible Schicht gebildet werden, die auf die elastischen Hohlkörper gelegt wird. Durch Verformung der elastischen Hohlkörper 5 wird die flexible Schicht partiell verformt, wobei die wellige Oberfläche der elastischen Hohlkörper durch die Schicht geebnet wird und eine homogenisierende Werkzeugoberfläche erzielt wird.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Temperiereinrichtung 6 Bestandteil der Stelleinrichtung 3 und derart mit der Stelleinrichtung 3 verbunden, dass mit Hilfe der Temperiereinrichtung 6 das beaufschlagte Fluid der jeweiligen elastischen Hohlkörper 5 temperiert werden kann, so dass die einzelnen elastischen Hohlkörper 5 ein Temperierelement 7 bilden. Dadurch wird es nicht nur möglich, durch die Anpassung des jeweiligen Fluiddruckes die Form der Werkzeugoberfläche partiell zu verformen, sondern auch die Werkzeugoberfläche partiell zu temperieren, so dass sich über die gesamte Werkzeugoberfläche hinweg unterschiedlichste Temperaturen einstellen lassen.
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform ist es aber auch denkbar, dass jeder elastische Hohlkörper 5 über einen separaten Zu- und Ablauf mit der Temperiereinrichtung 6 verbunden ist, so dass die elastischen Hohlkörper 5 durch die Temperierung eines separaten Fluides, das über die Zu- und Abläufe thermisch mit den elastischen Hohlkörpern 5 verbunden ist, die elastischen Hohlkörper temperiert.
Denkbar ist aber auch, dass anstelle von Fluidkanälen entsprechende Heizleiter in den elastischen Hohlkörpern oder an deren Oberfläche angeordnet sind, die dann über die Temperiereinrichtung 6 mit einer Temperiersteuerung separat angesteuert werden können, um so partiell die Werkzeugoberfläche zu temperieren.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Formwerkzeuges 1, das ebenfalls eine Werkzeugoberfläche 2 und eine die Werkzeugoberfläche 2 bildende Silikonschicht 11 hat. Die Silikonschicht 11 liegt auf Aktuatoren 12 auf, die eine Kraft senkrecht zu der Ebene der Silikonschicht 11 und somit der Werkzeugoberfläche 2 aufbringen können. Die Aktuatoren 12 können beispielsweise zum Aufbringen einer mechanischen, hydraulischen, pneumatischen und/oder piezoelektrischen Kraft ausgebildet sein. Die Aktuatoren sind mit der Stelleinrichtung 3 verbunden, damit die Stelleinrichtung 3 die Aktuatoren 12 entsprechend separat zur partiellen Verformung der Werkzeugoberfläche ansteuern kann.
In der Silikonschicht 11 befinden sich über die gesamte Silikonschicht 11 verteilte Temperierelemente 13, wie im Ausführungsbeispiel der 2 Heizleiter sind. Diese stehen elektrisch mit der Temperiereinrichtung 6 in Verbindung, um die einzelnen Temperierelemente 13 separat zur partiellen Temperierung der Werkzeugoberfläche 2 ansteuern zu können. Somit lassen sich unterschiedlichste Temperaturen in verschiedenen Bereichen über die gesamte Werkzeugoberfläche 2 einstellen, so dass auf die Bedürfnisse des jeweiligen Halbzeuges explizit eingegangen werden kann.
Aufgrund der flexiblen Silikonschicht 11 lassen sich somit zum einen variable Bauformen einstellen, zum anderen die Halbzeuge partiell entsprechend temperieren, was eine größtmögliche Flexibilität bedeutet.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Formwerkzeug (1) zur Herstellung eines Bauteils, das aus einem in das Formwerkzeug (1) eingebrachten Halbzeug gebildet wird, wobei

a) eine formgebende Werkzeugoberfläche (2), an der das in das Formwerkzeug (1) eingebrachte Halbzeug zur Formgebung des späteren Bauteils anliegt,
b) eine Stelleinrichtung (3) mit einer Mehrzahl von Stellelementen (5, 12), die jeweils zur partiellen Verformung der Werkzeugoberfläche (2) eingerichtet sind und mit dieser derart zusammenwirken, dass durch die Verformung der Werkzeugoberfläche (2) die Einstellung der Formgebung erfolgt, und

6

7

13

2

Claims

Formwerkzeug (1) zur Herstellung eines Bauteils, das aus einem in das Formwerkzeug (1) eingebrachten Halbzeug gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine formgebende Werkzeugoberfläche (2), an der das in das Formwerkzeug (1) eingebrachte Halbzeug zur Formgebung des späteren Bauteils anliegt, b) eine Stelleinrichtung (3) mit einer Mehrzahl von Stellelementen (5, 12), die jeweils zur partiellen Verformung der Werkzeugoberfläche (2) eingerichtet sind und mit dieser derart zusammenwirken, dass durch die Verformung der Werkzeugoberfläche (2) die Einstellung der Formgebung erfolgt, und c) eine Temperiereinrichtung (6) mit einer Mehrzahl von Temperierelementen (7, 13), die jeweils zur partiellen Temperierung der Werkzeugoberfläche (2) ausgebildet sind, vorgesehen sind.
Formwerkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Stellelemente (5) jeweils einen mit einem Fluid beaufschlagbaren elastischen Hohlkörper haben und die Stelleinrichtung (3) zum separaten Beaufschlagen der elastischen Hohlkörper (5) mit einem Fluid zur partiellen Verformung der Werkzeugoberfläche (2) eingerichtet ist.
Formwerkzeug (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (6) zum separaten Temperieren des beaufschlagten Fluids des jeweiligen elastischen Hohlkörpers (5) zur partiellen Temperierung der Werkzeugoberfläche (2) derart ausgebildet ist, dass die elastischen Hohlkörper jeweils ein Temperierelement (7) bilden.
Formwerkzeug (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der elastischen Hohlkörper (5) ein Temperierelement zum Temperieren des jeweiligen elastischen Hohlkörpers (5) aufweisen und die Temperiereinrichtung (6) zum separaten Temperieren der elastischen Hohlkörper (5) über die jeweiligen Temperierelemente zur partiellen Temperierung der Werkzeugoberfläche (2) eingerichtet ist.
Formwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Stellelemente jeweils mindestens einen Aktuator (12) aufweisen, der zum Aufbringen einer mechanischen, hydraulischen, pneumatischen und/oder piezoelektrischen Kraft zur partiellen Verformung der Werkzeugoberfläche ausgebildet ist.
Formwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die formgebende Werkzeugoberfläche (2) durch eine Schicht (11) aus einem flexiblen Material gebildet ist, wobei die Temperierelemente (7, 13) der Temperiereinrichtung mit der Schicht (11) thermisch derart zusammenwirken, dass die Werkzeugoberfläche (2) partiell temperierbar ist und die Stellelemente (5, 12) der Stelleinrichtung (3) mit der Schicht (11) mechanisch derart zusammenwirken, dass die Werkzeugoberfläche (2) partiell verformbar ist.
Formwerkzeug (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (11) aus einem Material besteht, das Silikon, Polymere und/oder Blech aufweist.
Formwerkzeug (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierelemente (13) der Temperiereinrichtung in und/oder an der Schicht (11) angeordnet sind.
Formwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem temperierbaren Fluid beaufschlagbare Fluidkanäle und/oder Heizleiter als Temperierelemente vorgesehen sind.