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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugvorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 zur Fertigung eines Bauteils bzw. von Bauteilen, mit einer Werkzeugeinheit, in der jeweils ein bzw. mehrere Rohteile einlegbar sind, um zum Bauteil gefertigt zu werden, wobei die Werkzeugeinheit mindestens eine elektrische Heizeinrichtung zur flächigen Erwärmung des eingelegten Rohteils umfasst, wobei die mindestens eine elektrische Heizeinrichtung mindestens ein Heizelement und mindestens einen Träger für das Heizelement aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Fertigung der Werkzeugvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13.
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Umformwerkzeuge wie zum Beispiel Tiefziehwerkzeuge dienen zur plastischen Formänderung von Rohteilen in Form von Halbzeugen in die gewünschte Endkonturenform als Bauteil. Oftmals sind die Umformwerkzeuge beheizt, um mittels der Wärmeeinbringung beispielsweise eine Verfestigung des Halbzeugs zu vermeiden, eine große Umformbarkeit der Halbzeuge zu ermöglichen und/oder geringe Umformkräfte zu erzielen.
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So beschreibt zum Beispiel die Druckschrift
DE 10 2011 112 582 A1 eine Formpresse zum Pressen von Bauteilen. Die Formpresse umfasst einen Arbeitsraum, ein im Arbeitsraum angeordnetes flexibles oder festes Presselement, eine Lagereinrichtung für die zu pressenden Bauteile und eine Heizeinrichtung. Die Heizeinrichtung ist als Heizplatte ausgebildet und bildet einen Teil der Lagereinrichtung. Die Heizplatte weist nahe ihrer Lagerfläche eine in ein Kunststoffmaterial eingebettete elektrische Widerstandsheizung in der Form von Fasern oder Filamenten auf.
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Weitere Formpressen mit Heizeinrichtungen sind aus der
EP 2 030 785 A2 sowie der
WO 2007/043876 A1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugvorrichtung vorzuschlagen, die eine Wärmeübertragung möglichst schnell und effizient umsetzt. Diese Aufgabe wird durch eine Werkzeugvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und/oder den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß wird somit eine Werkzeugvorrichtung zur Fertigung eines Bauteils bzw. von Bauteilen vorgeschlagen. Vorzugsweise erfolgt die Fertigung mittels Umformen, insbesondere mittels Zugumformen, Zugdruckumformen, Druckumformen und/oder mittels Biegeumformen. Besonders bevorzugt erfolgt die Umformung wirkmedienbasiert. Bei den zu fertigenden Bauteilen handelt es sich beispielsweise um hohle, rohrförmige Bauteile wie Klimarohre oder flächenförmige, insbesondere großflächige Bauteile wie Flugzeugpaneele.
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Die Werkzeugvorrichtung umfasst eine Werkzeugeinheit, in der die Bauteile fertigbar sind, d. h. in die mindestens ein Rohteil einlegbar ist, um zum Bauteil gefertigt zu werden. Insbesondere umfasst die Werkzeugeinheit einen Arbeitsraum, in den das mindestens eine Rohteil zur Fertigung des mindestens einen Bauteils einlegbar ist. Bei dem Rohteil handelt es sich vorzugsweise um ein flächen- oder ein rohrförmiges Halbzeug aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Kunststoff, besonders bevorzugt aus einem Werkstoffverbund, wie einen Prepreg. Zum Beispiel sind in dem Arbeitsraum ein oder mehrere Bauteile fertigbar. Besonders bevorzugt ist die Werkzeugeinheit ein Umformwerkzeug, im Speziellen ein Massivumformwerkzeug oder ein Umformwerkzeug für Rohteile mit einer Wandstärke kleiner als drei Millimeter. Die Werkzeugeinheit kann ein Einstufenwerkzeug sein. Das Einstufenwerkzeug umfasst genau einen Fertigungsschritt zur Fertigung des Bauteils. Alternativ ist die Werkzeugeinheit ein Folgewerkzeug, das einen von mehreren Fertigungsschritten zur Fertigung des Bauteils umfasst. Als eine weitere Alternative kann die Werkzeugeinheit ein Folgeverbundwerkzeug sein, das alle Fertigungsschritte zur Fertigung des Bauteils umfasst.
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Die Werkzeugeinheit umfasst mindestens eine erste elektrische Heizeinrichtung zur flächigen Erwärmung des eingelegten Rohteils. Durch das Erwärmen des Rohteils fällt die Werkzeugbeanspruchung insbesondere im Vergleich zur Kaltumformung geringer aus. Somit ist ein Werkzeugversagen durch Verschleiß, Bruch oder durch Ermüdung zumindest reduziert und folglich eine erhöhte Werkzeuglebensdauer erzielt. Durch die erste elektrische Heizeinrichtung ist eine externe Fremdbeheizung der Werkzeugeinheit wie beispielsweise mittels eines Ofens nicht nötig, was den Heizprozess insgesamt vereinfacht und beschleunigt. Die erste elektrische Heizeinrichtung weist mindestens ein erstes Heizelement auf, das elektrisch beheizbar ist, sowie einen Träger für das Heizelement. Des Weiteren dient die flächige Erwärmung durch die erste Heizeinrichtung zur Konditionierung eines Prepreg-Rohteils. Optional umfasst die Werkzeugeinheit das Prepreg-Rohteil, das in den Arbeitsraum eingelegt ist.
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Die Werkzeugeinheit umfasst eine für das Rohteil formgebende Kernstruktur, die erste Heizeinrichtung, die außenseitig auf der Kernstruktur angeordnet ist, sowie eine außenseitig auf der ersten Heizeinrichtung angeordnete Versteifungsstruktur zur Versteifung der formgebenden Kernstruktur. Somit umfasst oder bildet die Werkzeugeinheit ein mehrschichtig aufgebautes Werkzeug, wobei die formgebende Kernstruktur ein Innenteil, insbesondere ein dem Arbeitsraum zugewandtes Innenteil, die Versteifungsstruktur ein Außenteil, insbesondere ein dem Arbeitsraum abgewandtes Außenteil und der Träger eine Zwischenschicht zwischen der formgebenden Kernstruktur und der Versteifungsstruktur der Werkzeugeinheit bildet. Vorzugsweise weist die formgebende Kernstruktur eine Negativkontur für die formgebundene Umformung des Rohteils auf, d. h. die Kontur des gefertigten Bauteils wird durch die Negativkontur der formgebenden Kernstruktur vorgegeben. Zum Beispiel ist die, die Negativkontur kontaktierende Fläche des Rohteils eine Sichtseite des gefertigten Bauteils. Durch die Wärmeeinbringung auf die Sichtseite wird vorteilhafterweise eine hohe Oberflächengüte erzielt. Insbesondere bildet die formgebende Kernstruktur eine Matrize oder Patrize der Werkzeugeinheit. Die Versteifungsstruktur dient zur Versteifung der formgebenden Kernstruktur und somit zur Sicherstellung einer ausreichenden Steifigkeit der formgebenden Kernstruktur während des Fertigungsprozesses. Somit gewährleistet die Versteifungsstruktur die zuverlässige Abbildung der Konturen der formgebenden Kernstruktur am Rohteil.
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Die Anordnung der ersten Heizeinrichtung zwischen der formgebenden Kernstruktur und der Versteifungsstruktur ermöglicht ein rohteilnahes Aufheizen, ohne die gesamte Werkzeugeinheit und/oder den in der Werkzeugeinheit befindlichen Arbeitsraum aufheizen zu müssen. Auf diese Weise ist eine schnelle sowie energie- und kosteneffiziente Aufheiz- und Abkühlrate umgesetzt. Durch die schnelle Aufheiz- und Abkühlrate sind sehr kurze Aushärtezeiten und folglich hohe Stückzahlen bei der Fertigung der Bauteile realisierbar.
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Bevorzugt sind die formgebende Kernstruktur, die erste Heizeinrichtung sowie die Versteifungsstruktur voneinander entnehmbar ausgebildet. Somit sind diese einzelnen Werkzeugteile beschädigungs- und/oder zerstörungsfrei voneinander trennbar. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein Austausch der einzelnen Werkzeugteile, so zum Beispiel bei einem Verschleiß der formgebenden Kernstruktur oder bei einem Ausfall der ersten Heizeinrichtung und folglich im Falle eines Wartungsfalls ein kostenoptimierter Einzelaustausch möglich ist.
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Die Werkzeugeinheit umfasst weiterhin eine flexible Formmembran, wobei das einlegbare Rohteil zwischen der flexiblen Formmembran und der formgebenden Kernstruktur anordenbar ist, wobei zur Umformung des Rohteils die flexible Formmembran mittels einer Beaufschlagung mit einem Druck in Richtung der formgebenden Kernstruktur pressbar ist. Der Druck kann hierbei ein Überdruck sein, der von der, der Kernstruktur abgewandten Seite auf die Formmembran wirkt und diese zur Kernstruktur hin drückt. Alternativ oder zusätzlich kann der Druck auch ein Unterdruck bzw. Vakuum sein, der von der, der Kernstruktur zugewandten Seite auf die Formmembran wirkt und diese zur Kernstruktur hin zieht. An der Formmembran ist eine zweite Heizeinrichtung mit einem von einem zweiten Träger getragenen zweiten Heizelement angeordnet. Insbesondere stellt die Formmembran den zweiten Träger für das zweite Heizelement dar. Insbesondere befindet sich die zweite Heizeinrichtung bzw. das zweite Heizelement in bzw. innerhalb der Formmembran.
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Das Rohteil ist dadurch von seinen beiden, der Formmembran und der Kernstruktur zugewandten Seiten – in der Regel Flachseiten – her beheizbar. So ist eine schnelle, vollständige und damit effiziente Beheizung des Rohteils möglich. Beide, also erste und zweite Heizeinrichtung befinden sich nahe am Rohteil, so dass ein verbesserter Wärmeeintrag in das Rohteil gegeben ist, restliche Komponenten der Werkzeugeinheit werden so wenig wie möglich beheizt. Der Wirkungsgrad des Wärmeeintrags in das Rohteil ist verbessert.
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Bevorzugt erfolgt das Anlegen des Rohteils an die Kernstruktur mittels einer Druckbeaufschlagung, insbesondere mittels eines Über- und/oder eines Unterdrucks. Beispielsweise erfolgt die Druckbeaufschlagung über ein Wirkmedium. Vorzugsweise wird das Wirkmedium als Druckmedium dem Arbeitsraum druckgeregelt zugeführt, wobei sich das Rohteil durch die Druckbeaufschlagung im Laufe des Umformprozesses an die Kernstruktur, z. B. eine Negativkontur, anlegt. Im Falle eines Unterdrucks wird Wirkmedium, z. B. Luft, abgezogen, um einen Unterdruck bzw. ein Vakuum zu erzeugen. Bei dem Wirkmedium kann es sich um eine Flüssigkeit, zum Beispiel um Wasser oder Öl, um Gas, wie zum Beispiel Argon und/oder um formlose feste Stoffe wie zum Beispiel Stahlkugeln oder Sand handeln.
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Es ist bekannt, dass das Wirkmedium zur Umformung im unmittelbaren Kontakt mit dem Rohteil steht. Jedoch enthält gemäß der Erfindung die Werkzeugeinheit die Formmembran. Zur Umformung des Rohteils wird eine Außenmantelfläche der Formmembran gegen das Rohteil gepresst, das dadurch wiederum gegen die Kernstruktur gepresst wird und somit die gewünschte Bauteilkontur geformt wird. Beispielsweise ist die flexible Formmembran eine Silikonmembran. Die Kontaktvermeidung des Wirkmediums mit dem Rohteil durch die Formmembran verhindert beispielsweise eine Korrosion, Oxidation und/oder eine Beschädigung der dem Wirkmedium zugewandten Rohteiloberfläche.
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Bevorzugt ist es möglich, die Heizelemente und damit die örtliche Verteilung der erzeugten Wärme individuell, insbesondere räumlich, gleichmäßig oder ungleichmäßig zu dimensionieren bzw. zu verteilen und so eine Heizstruktur zu schaffen. Als Heizstruktur wird die – insbesondere individuell unterschiedliche – Verteilung der Heizelemente innerhalb der Heizeinrichtung bezeichnet, wie z. B. deren Position, Verlaufsbahn, Verlegungsdichte usw. Dadurch kann die Wärmeverteilung bzw. der Wärmeeintrag in das Rohteil individuell auf das zu erstellende Fertigungsprodukt bzw. Bauteil angepasst werden. So ergeben sich in der Regel für jeden Anwendungsfall unterschiedliche Heizstrukturen.
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Insbesondere wird ermittelt, z. B. berechnet, wo und wie Wärmequellen, z. B. Heizschleifen der Heizelemente (auch unterschiedliche Materialien möglich) auf den Träger (auch hier unterschiedliche Materialien möglich) aufgebracht, z. B. aufgenäht, werden. So können bei z. B. gleicher Heizleistung bzw. Temperatur einer durchgehenden Heizschleife lokal unterschiedliche Temperaturen bzw. Wärmemengen pro Fläche an gewünschten Stellen der Heizeinrichtungen durch Variation der Verlegungsdichte usw. erzeugt werden. Durch die inhomogene bzw. heterogene Wärmeerzeugung kann bei unterschiedlich Wärme aufnehmenden Rohteilen deren homogene Erwärmung sichergestellt werden, d. h. eine lokale Überhitzung oder unzureichende Erwärmung vermieden werden. Bei prinzipiell gleicher Heizleistung eines Heizfadens entlang des Fadens können also nach Verlegung – bezogen auf die Verlegungsfläche – lokal unterschiedliche Temperaturen erzeugt werden.
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Insbesondere wird um das – insb. individuell erstellte – Heizelement als Heizstruktur herum ein Trägermaterial, z. B. Silikon oder ähnliches, aufgebracht. Daraus ergibt sich z. B. eine optional heterogen, d. h. ungleichmäßig beheizbare Formmembran, z. B. in Schlauchform.
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Insbesondere die erste Heizeinrichtung befindet sich vom Rohteil aus gesehen direkt unter der Werkzeugoberfläche, d. h. unterhalb der Kernstruktur. Mit anderen Worten wird eine – individuell erstellte – Heizstruktur bzw. Heizeinrichtung im Werkzeugaufbau eingebettet. Der Werkzeugaufbau ist dabei abhängig vom verwendeten Material, Funktion und gewünschter Stabilität. Die individuell erstellte Heizstruktur wird entweder nahe der Werkzeugoberfläche, mittig oder rückseitig in das Werkzeug eingebracht. Daraus ergibt sich eine zuvor geplante heterogene Beheizung der dem Rohteil zugewandten Werkzeugoberfläche, was z. B. wiederum im Zusammenspiel mit dem Rohteil zu dessen gleichmäßiger Erwärmung führt.
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Die Heizstruktur wird also auf die Werkzeug- bzw. Rohteiloberfläche bezogen ermittelt bzw. berechnet und dann ein Heizelement in der benötigten Anordnung erzeugt, z. B. ein Heizfaden entsprechend in Mustern aufgenäht. Dies geschieht z. B. ohne Fadenkreuzung, z. B. in Schlaufenbahnen. Die verwendete Heizstruktur wird insbesondere speziell auf jede Kontur und Anforderung angepasst, berechnet und erstellt, wodurch sich eine heterogene Beheizung des Werkzeugs, jedoch letztendlich eine homogene oder zumindest beabsichtigt bzw. kontrolliert heterogene Beheizung des Rohteils ergibt.
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Das Heizelement kann insbesondere als Endlosfaden, der sich nicht kreuzt, auf den Träger aufgebracht werden. Hierzu wird insbesondere eine Nähmaschine verwendet. Der Endlosfaden selbst bildet das oder zumindest einen Teil des Heizelements.
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Gemäß der Erfindung werden also z. B. Nickelschalen als Kernstrukturen separat erstellt und in einen Formkörper bzw. Stützkörper als Versteifungsstruktur gelegt, sind also austauschbar bzw. nicht starr oder fest miteinander verbunden, oder sie werden als separates, eigenständiges Werkzeug verwendet. Die Heizstruktur, also erstes und/oder zweites Heizelement, wird in die Formmembran und/oder den ersten Träger gebettet – insbesondere als Silikon ausgeführt – erstellt. Die Heizstruktur wird dann auf die Kernstruktur, z. B. die Nickelschale adaptiert. Die Einzelteile lassen sich wieder trennen. Durch die Verwendung von Silikon lassen sich wesentlich höhere Temperaturen des Heizelements realisieren, da Silikone heute bis z. B. 800°C belastbar sind und in diesen Bereichen eingesetzt werden.
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Zur Herstellung von rohrförmigen Bauteilen ist es bevorzugt, dass die formgebende Kernstruktur eine rohrförmige oder halbrohrförmige Negativkontur aufweist. Besonders bevorzugt werden mit der rohrförmigen beziehungsweise halbrohrförmigen Negativkontur Rohre aus einem hohlen Prepreg-Halbzeug hergestellt.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die formgebende Kernstruktur ein Außenrohr und bildet mit einer Innenmantelfläche die rohrförmige Negativkontur. Insbesondere ist das Rohteil zur Formung der rohrförmigen Bauteilkontur an die Innenmantelfläche des Außenrohrs anzulegen, wobei die Innenmantelfläche die Negativkontur bildet. Besonders bevorzugt erfolgt das Anlegen des Rohteils an die Negativkontur mittels einer Druckbeaufschlagung, insbesondere mittels eines Über- und/oder eines Unterdrucks. Beispielsweise erfolgt die Druckbeaufschlagung über ein Wirkmedium. Vorzugsweise wird das Wirkmedium als Druckmedium dem Arbeitsraum druckgeregelt zugeführt, wobei sich das Rohteil durch die Druckbeaufschlagung im Laufe des Umformprozesses an die Negativkontur anlegt. Bei dem Wirkmedium kann es sich um eine Flüssigkeit, zum Beispiel um Wasser oder Öl, um Gas, wie zum Beispiel Argon und/oder um formlose feste Stoffe wie zum Beispiel Stahlkugeln oder Sand handeln.
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Vom konstruktiven Aufbau ist es besonders bevorzugt, dass die Werkzeugeinheit als Formmembran einen flexiblen Innenschlauch umfasst, der radial innenseitig zu einem Außenrohr – bezogen auf dessen Längsachse – angeordnet ist. Zur Umformung des Rohteils wird eine Außenmantelfläche des Innenschlauchs mittel Beaufschlagung mit dem Druck radial zur Längsachse des Außenrohrs nach außen gegen das Rohteil gepresst, das dadurch wiederum gegen die Negativkontur des Außenrohrs gepresst wird und somit die gewünschte Bauteilkontur geformt ist. Beispielsweise ist der flexible Innenschlauch ein Silikonschlauch. Auch so ist eine Kontaktvermeidung des Wirkmediums mit dem Rohteil durch den Innenschlauch gegeben. Mit anderen Worten erfolgt dann die Erwärmung des Rohteils auf der, der Kernstruktur gegenüberliegenden Seite mit Hilfe eines beheizten Silikonschlauchs.
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Zur Herstellung von flächenförmigen, insbesondere großflächigen Bauteilen ist es bevorzugt, dass die formgebende Kernstruktur eine flächenförmige Negativkontur aufweist. Besonders bevorzugt werden mit der flächenförmigen Negativkontur Flugzeugpaneele aus einem flächigen Prepreg-Halbzeug hergestellt.
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Besonders bevorzugt erfolgt das Anlegen des Rohteils an die Negativkontur mittels der Druckbeaufschlagung, insbesondere mittels eines Über- und/oder eines Unterdrucks. Beispielsweise erfolgt die Druckbeaufschlagung über das Wirkmedium. Vorzugsweise wird das Wirkmedium als Druckmedium dem Arbeitsraum druckgeregelt zugeführt, wobei sich das Rohteil durch die Druckbeaufschlagung im Laufe des Umformprozesses an die Negativkontur anlegt.
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Vom konstruktiven Aufbau ist es besonders bevorzugt, dass die Werkzeugeinheit eine flexible Haube als Formmembran umfasst, wobei das einlegbare Rohteil zwischen der flexiblen Haube und der formgebenden Kernstruktur anzuordnen ist. Zur Umformung des Rohteils wird die flexible Haube gegen das Rohteil gepresst, das somit wiederum gegen die Negativkontur an die gewünschte Bauteilkontur angeformt wird. Beispielsweise ist die flexible Haube eine Silikonhaube. Die Kontaktvermeidung des Wirkmediums mit dem Rohteil durch die flexible Haube verhindert wieder eine Korrosion, Oxidation und/oder eine Beschädigung der zugewandten Rohteiloberfläche.
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Erfindungsgemäß ist die formbildende Kernstruktur als eine Galvanoschale oder als ein Galvanorohr ausgebildet. Die Galvanoschale bzw. das Galvanorohr ist einerseits im Vergleich zum ausgefrästen Metallwerkzeug kostengünstig herstellbar. Andererseits ist durch die Metallisierung eine vergleichsweise zu schlechtleitenden Materialien wie Kunststoff eine gute Wärmeleitfähigkeit und folglich eine ausreichende Wärmeübertragung erreicht.
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Vom konstruktiven Aufbau weist die formgebende Kernstruktur im Querschnitt eine Dicke von höchstens 3 Millimetern, insbesondere von höchstens 2 Millimetern, im Speziellen von höchstens 1 Millimeter auf. Diese vergleichsweise geringe Wandstärke ist vorteilhafterweise durch die Versteifungsstruktur ermöglicht, da diese den erforderlichen mechanischen Widerstand gegen eine elastische und plastische Verformung der formgegeben Kernstruktur während des Fertigungsprozesses umsetzt. Durch die Dicke von höchstens 3 Millimetern weist die Werkzeugeinheit geringe thermische Masse auf, was eine schnelle Wärmeübertragung ausgehend von der ersten Heizeinrichtung auf das Rohteil erzielt. Die rohteilnahe Anordnung der ersten Heizeinrichtung ermöglicht beispielsweise eine Aufheizrate des Rohteils von mindestens 30 K/min, insbesondere von mindestens 50 K/min und/oder eine Kühlrate des Rohteils von mindestens 5 K/min, insbesondere von mindestens 10 K/min. Folglich setzt die Werkzeugeinheit rasche Heiz- und Kühlprozesse und äußerst kurze Aushärtezeiten des Rohteils um. Entsprechendes gilt bei allen Ausführungsformen der Erfindung für die zweite Heizeinrichtung. Denn hier ist – wenn überhaupt – lediglich die Formmembran zwischen zweiter Heizeinrichtung und Rohteil angeordnet. So sind noch höhere Aufheiz- und Kühlraten möglich.
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Die Versteifungsstruktur ist beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt. Vorzugsweise ist die Versteifungsstruktur aus einem Werkstoffverbund gefertigt, wie zum Beispiel aus einem kohlenstofffaserverstärkten oder einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Vorzugsweise weist die Versteifungsstruktur im Querschnitt eine Dicke von mindestens 2 Millimetern, insbesondere von mindestens 4 Millimetern, im Speziellen von mindestens 6 Millimetern auf. Diese Wandstärke stellt in Kombination mit den zuvor genannten Werkstoffen eine ausreichende Steifigkeit für den Fertigungsprozess sicher.
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In Bezug auf die erste und/oder zweite Heizeinrichtung ist es möglich, dass die Heizelemente der elektrischen Heizeinrichtung mindestens ein Metalldraht sind oder einen solchen enthalten. Jedoch sieht eine besonders bevorzugte konstruktive Umsetzung der Erfindung vor, dass die Heizelemente elektrisch leitende Fasern sind oder enthalten. Besonders bevorzugt sind oder enthalten die elektrisch leitenden Fasern Kohlenstofffasern. Vorteilhafterweise sind die Kohlenstofffasern einerseits thermisch und elektrisch sehr gut leitfähig. Andererseits weisen diese hochfeste Werkstoffeigenschaften auf und sind somit bei der Verlegung gut handzuhaben.
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Fertigungstechnisch betrachtet ist es bevorzugt, dass der ersten und/oder zweite Träger (insbesondere die Formmembran) jeweils zwei Hauptflächen aufweisen. Die Hauptflächen sind z. B. die beiden Flachseiten eines flächigen Gebildes. Die elektrisch leitenden Fasern sind dann auf mindestens einer der zwei Hauptflächen des jeweiligen Trägers abgelegt, insbesondere aufgenäht. Besonders bevorzugt ist die Hauptfläche mit den abgelegten elektrisch leitenden Fasern die dem eingelegten Rohteil zugewandte Seite. Auf diese Weise wird die von den elektrisch leitenden Fasern abgegebene Wärme zumindest zum Großteil gezielt an die formgebende Kernstruktur bzw. an das Rohteil geleitet. Durch den direkten bzw. kurzen Wärmefluss von den Heizeinrichtungen zum eingelegten Rohteil, ohne das restliche Werkzeug wesentlich zu erwärmen, wird der Energiebedarf im Vergleich zur vollständigen Werkzeugerwärmung wesentlich reduziert.
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Insbesondere sind die elektrisch leitenden Fasern, im Speziellen die Kohlenstofffasern, zu einem Roving zusammengefasst. Als Roving wird ein Bündel, Strang oder Multifilamentgarn aus parallel angeordneten Filamenten, insbesondere aus parallel angeordneten Kohlenstofffasern bezeichnet. Vorzugsweise sind die zum Roving zusammengefassten Kohlenstofffasern Endlosfasern. Beispielsweise wird der Roving von einer Spule abgewickelt, wobei der Roving mittels eines Stickautomaten auf den jeweiligen Träger abgelegt, besonders bevorzugt aufgenäht. Das Ablegen, insbesondere das Aufnähen erzielt eine hohe geometrische Gestaltungsfreiheit des Verlegens des Rovings auf dem jeweiligen Träger. Auf diese Weise kann der Roving je nach Bedarf entweder global, oder lokal und selektiv auf dem jeweiligen Träger angeordnet werden. Folglich ist sowohl eine globale als auch eine lokale und zielgenaue Wärmeeinbringung auf das Rohteil ermöglicht. Ferner ist das Ablegen, insbesondere des Aufnähen des Rovings automatisiert und reproduzierbar durchführbar.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der erste und/oder zweite Träger (insbesondere die Formmembran) biegbar, im Speziellen reversibel verformbar und formstabil ist. Mit anderen Worten kann der jeweilige Träger an die Soll-Kontur der formgebenden Kernstruktur angelegt bzw. angepasst und somit beispielsweise auch an Ecken und Kanten umgelegt werden. Somit ist der jeweilige Träger flexibel, insbesondere passgenau – ggf. unter Zwischenlage des eingelegten Rohteils – an die formgebende Kernstruktur bzw. die Form des Rohteils anlegbar. Folglich sind einerseits die auf dem jeweiligen Träger angeordnete Heizelemente zielgerichtet zur formgebenden Kernstruktur anordenbar. Andererseits sind unerwünschte Spalte zwischen dem ersten Träger und der formgebenden Kernstruktur bzw. dem zweiten Träger (insbesondere der Formmembran) und dem Rohteil vermieden und somit ein direkter Wärmeübergang erzielt. Durch die zielgenaue Wärmeeinbringung kann eine hohe Bauteilqualität mit keinen oder geringen Nacharbeiten erzielt werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil durch das Umlegen des Trägers ist die Möglichkeit einer umseitigen Erwärmung des Rohteils. Somit ist eine gezielte Wärmeeinbringung mit einer äußerst hohen Energieeffizienz erreicht.
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Alternativ ist es ebenso möglich, dass der Träger biegeschlaff ist. Insbesondere ist der Träger durch die biegeschlaffe Ausbildung zerstörungsfrei deformierbar, sodass auch hier der Träger an die Soll-Kontur der formgebenden Kernstruktur angelegt werden kann.
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Eine bevorzugte konstruktive Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der erste und/oder zweite Träger eine Glasfasermatte und/oder eine Silikonmembran ist bzw. enthält. Die Glasfasermatte sowie die Silikonmembran sind elektrisch und thermisch isolierend, sodass ein ungewollter Wärmeübergang und folglich ein Wärmeverlust von den Heizelementen, insbesondere elektrisch leitenden Fasern zum Träger vermieden oder zumindest reduziert ist. Ein weiterer Vorteil ist die Biegbarkeit der Glasfasermatte und der Silikonmembran.
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Beispielsweise weist der erste und/oder zweite Träger eine Dicke von höchstens 3 Millimeter, insbesondere von höchstens 2 Millimeter, im Speziellen von höchstens 1 Millimeter, auf. Auf diese Weise ist eine platzsparende Bauweise der ersten und zweiten Heizeinrichtung mit einer energieeffizienten Wärmeführung umgesetzt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Werkzeugeinrichtung eine Steuereinrichtung bzw. Steuerung der ersten und/oder zweiten Heizeinrichtungen zur lokalen Steuerung der Temperaturverteilung entlang einer Wärmeübertragungsfläche der formgebenden Kernstruktur. Die Wärmeübertragungsfläche ist diejenige – gedachte – Fläche, durch die hindurch die Wärme von der jeweiligen Heizeinrichtung zum Rohteil hin übertragen wird. Insbesondere werden durch die Steuereinrichtung mindestens ein Roving oder mehrere Rovings separat voneinander angesteuert, sodass auf der Wärmeübertragungsfläche sowohl eine global gleichbleibende Temperatur als auch lokale Temperaturunterschiede einstellbar sind. Die Wärmeübertragungsfläche ist insbesondere die dem Rohteil zugewandte, insbesondere die das Rohteil kontaktierende Fläche. Vorzugsweise weist die elektrische Heizeinrichtung Temperaturfühler zur Überprüfung einer Soll- gegenüber einer Ist-Temperatur auf. Beispielsweise sind die Temperaturfühler in dem jeweiligen Träger eingebettet. Die lokale Steuerung der Temperaturverteilung soll eine lokale Überhitzung, so zum Beispiel bei gefährdeten Bereichen wie Ecken und Kanten, vermeiden.
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Weiterhin ist es möglich, dass die Werkzeugvorrichtung eine Vorrichtung, insbesondere Wärmepumpe, zur Rückgewinnung einer während eines Abkühlvorgangs der Werkzeugeinheit abgegebenen Wärme für die erste und/oder zweite Heizeinrichtung für einen (oder mehrere) der nachfolgenden Aufheizvorgänge umfasst. Somit wird mittels der Wärmepumpe während des Abkühlvorgangs der Werkzeugeinheit die abgegebene Wärme für den späteren Aufheizvorgang rückgewonnen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine Verlustwärme während der Abkühlung der Werkzeugeinheit vermieden oder zumindest reduziert wird.
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Einen weiteren Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer Werkzeugvorrichtung nach der vorhergehenden Beschreibung. Es werden die formgebende Kernstruktur, die ersten und zweiten elektrische Heizeinrichtung sowie die Versteifungsstruktur gefertigt. In Folgeschritten wird die erste Heizeinrichtung außenseitig auf die formgebende Kernstruktur sowie die Versteifungsstruktur außenseitig auf die elektrische Heizeinrichtung, insbesondere auf deren Träger angeordnet. Außerdem wird das zweite Heizelement (6c) der zweiten Heizeinrichtung an, also in oder auf der Formmembran angeordnet.
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Bevorzugt ist, dass bei der Fertigung der ersten und/oder zweiten Heizeinrichtung die elektrisch leitenden Fasern auf eine der zwei Hauptflächen des jeweiligen Trägers abgelegt werden, insbesondere aufgenäht werden. Vorzugsweise werden die elektrisch leitenden Fasern CNC-gesteuert auf die Hauptflächen des Trägers bzw. der Formmembran abgelegt, insbesondere aufgenäht.
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Fertigungstechnisch ist besonders vorteilhaft, dass die elektrisch leitenden Fasern mittels des sogenannten Tailored-Fiber-Placement-Technologieverfahren, kurz als TFP-Verfahren bekannt, auf den Träger aufgebracht werden. Bei dem TFP-Verfahren sind die elektrisch leitenden Fasern zum Roving zusammengefasst, wobei der Roving von einer Spule abgewickelt und mittels einer Roving-Führung in der gewünschten Position gehalten ist. Vorzugsweise wird der Roving mit einem Nähfaden auf dem Träger genäht.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
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1 in dreidimensionaler Darstellung eine Werkzeugeinheit als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 in dreidimensionaler Darstellung die Herstellung einer Heizstruktur einer elektrischen Heizeinrichtung aus 1;
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3 eine für 2 beispielhaftes Heizmuster der elektrischen Heizeinrichtung;
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4a, 4b, 4c einen Ausschnitt eines ersten beispielhaften Fertigungsprozesses zur Fertigung eines flächenförmigen Bauteils in der Werkzeugeinheit aus 1;
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4d eine alternative Werkzeugeinheit ohne Oberwerkzeug bei Unterdruckbeaufschlagung,
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5a, 5b einen Ausschnitt eines zweiten beispielhaften Fertigungsprozesses zur Fertigung eines rohrförmigen Bauteils in der Werkzeugeinheit aus 1.
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Einander entsprechende oder gleiche Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. 1 zeigt schematisch in einer dreidimensionalen Darstellung einen Ausschnitt einer Werkzeugvorrichtung 1 zur Fertigung von Bauteilen. Bei den Bauteilen handelt es sich beispielsweise um rohrförmige oder flächenförmige Bauteile. Die Werkzeugvorrichtung 1 umfasst eine Werkzeugeinheit 2, in der die Bauteile fertigbar sind. Die Werkzeugeinheit 2 ist ein Umformwerkzeug beispielsweise zum Druckumformen, zum Zugdruckumformen, zum Zugumformen oder zum Biegeumformen.
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Die Werkzeugeinheit 2 umfasst einen Arbeitsraum 3, in dem ein Rohteil 4 einlegbar und eingelegt ist und, wie anhand der 4 und 5 noch näher erläutert wird, durch die Werkzeugeinheit 2 während der Fertigung zu einem Bauteil plastisch verformt wird. Das Rohteil 4 kann ein großflächiges oder rohrförmiges Halbzeug aus einem Metall, einem Kunststoff oder aus einem Werkstoffverbund wie einem Prepreg sein.
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Die Werkzeugeinheit 2 umfasst eine für das Rohteil 4 formgebende Kernstruktur 5. Eine Innenseite 20 der formgebenden Kernstruktur 5 bildet eine Negativkontur zur Formgebung des zu fertigenden Bauteils bzw. des Rohteils 4. Das Rohteil 4 wird zur Umformung mittels einer Beaufschlagung mit einem Druck p auf die Negativkontur bzw. die Kernstruktur 5 bzw. deren Innenseite 20 gepresst. Es ist vorgesehen, dass zur Umformung des Rohteils 4 ein Über- und/oder Unterdruck p auf das Rohteil 4 wirkt. Die verschiedenen Druckvarianten sind in 1 durch diverse Pfeile angedeutet. Zum Beispiel ist die, die Negativkontur bzw. Innenseite 20 kontaktierende Fläche bzw. Flachseite des Rohteils 4 eine Sichtseite des gefertigten Bauteils. Durch die Wärmeeinbringung auf die Sichtseite wird vorteilhafterweise eine hohe Oberflächengüte erzielt.
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Die formgebende Kernstruktur 5 ist hier als eine ebene Fläche ausgebildet, jedoch ist es ebenso möglich, dass die formgebende Kernstruktur 5 eine dreidimensionale Konturform, zum Beispiel Ecken, Kanten, Radien oder weitere Freiformen aufweist. Beispielsweise ist die formgebende Kernstruktur 5 als ein gefrästes Aluminium- oder als ein galvanisiertes Kunststoffwerkzeug gefertigt. Die formgebende Kernstruktur 5 kann in der Werkzeugeinheit 2 eine Matrize oder eine Patrize sein.
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Die Werkzeugeinheit 2 umfasst eine erste elektrische Heizeinrichtung 6, die außenseitig, d. h. der Innenseite 20 gegenüberliegend, auf der formgebenden Kernstruktur 5, auf der vom Arbeitsraum 3 abgewandten Seite der formgebenden Kernstruktur 5 angeordnet ist. Die erste Heizeinrichtung 6 dient zur flächigen Erwärmung des eingelegten Rohteils 4 von der Kernstruktur 5 her. Die erste Heizeinrichtung 6 umfasst ein erstes Heizelement 6b in Form elektrisch leitender Fasern (3) zur Wärmeabgabe sowie einen Träger 6a, auf dem die elektrisch leitenden Fasern angeordnet sind.
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Die Werkzeugeinheit 2 umfasst eine Versteifungsstruktur 7, die außenseitig, das heißt auf der von der formgebenden Kernstruktur 5 abgewandten Flachseite des Trägers 6a, auf dem Träger 6a angeordnet ist. Die Versteifungsstruktur 7 dient zur Sicherstellung einer ausreichenden Steifigkeit der formgebenden Kernstruktur 5 während des Umformprozesses und vermeidet somit eine relevante elastische und plastische Verformung der formgebenden Kernstruktur 5. Auf diese Weise ist eine präzise Anformung des Rohteils 4 an die Negativkontur der formgebenden Kernstruktur 5 und damit eine hohe Konturgenauigkeit erzielt. Ferner ermöglicht die Versteifungsstruktur 7 durch den mechanischen Widerstand, den sie bietet, dass eine Dicke D der formgebenden Kernstruktur 5 kleiner oder gleich etwa drei Millimeter gewählt werden kann und somit eine schnelle Wärmeübertragung von der ersten Heizeinrichtung 6 auf das Rohteil 4 umgesetzt ist. Die Versteifungsstruktur 7 ist beispielsweise aus einem Metall, einem GFK oder einem CFK gefertigt.
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Die Werkzeugeinheit 2 umfasst außerdem eine flexible Formmembran 12. Diese ist so angeordnet, dass das Rohteil 4 zwischen der Formmembran 12 und der formgebenden Kernstruktur 5 eingelegt ist. Zur Umformung des Rohteils 4 wird die flexible Formmembran mittels Beaufschlagung mit dem Über- und/oder Unterdruck p in Richtung der formgebenden Kernstruktur 5 gepresst und/oder gezogen. An der Formmembran 12 ist eine zweite Heizeinrichtung 14 angeordnet. Die Formmembran 12 bildet dabei deren zweiten Träger 14a, der deren zweites Heizelement 14b trägt.
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2 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung die Heizeinrichtungen 6, 14 mit den Trägern 6a, 14a sowie den Heizelementen 6b, 14b in Form elektrisch leitender Fasern. Die elektrisch leitenden Fasern erzeugen Wärme mittels elektrischer Energie. Beispielsweise sind die elektrisch leitenden Fasern Kohlenstofffasern. Die elektrisch leitenden Fasern sind zu einem Roving zusammengefasst, wobei der Roving mittels einer Roving-Zuführung 8 von einer Spule (nicht dargestellt) auf dem Träger 6a, 14a abgelegt wird. Der Roving wird mittels eines Nähfadens 9 auf die eine, alternativ die andere oder beide der zwei Hauptflächen, hier Flachseiten, des Trägers 6a, 14a aufgenäht. Beispielsweise wird diejenige Hauptfläche des Trägers 6a mit dem aufgenähten Roving auf der formgebenden Kernstruktur 5 angeordnet, sodass ein direkter Wärmefluss über die formgebende Kernstruktur 5 auf das Rohteil 4 erreicht ist. Folglich ist sowohl ein schneller Aufwärm- als auch Kühlprozess generiert und ein geringer Energie- und Kostenaufwand erzielt. Der Roving kann entweder als ein durchgängiger Faden auf dem Träger 6b, 14b angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, dass eine Mehrzahl von separaten Rovings auf dem Träger 6b, 14b angeordnet sind.
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Beispielsweise ist der Träger 6a, 14a eine Glasfasermatte oder eine Silikonmembran. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass einerseits durch das feinmaschige Material der Glasfasermatte beziehungsweise durch das nachgebende Material der Silikonmembran eine gute Vernähbarkeit der Fasern erreicht ist. Andererseits wird eine gute Anformung des Trägers 6a, 14a an die formbildende Kernstruktur 5 bzw. das sich verformende Rohteil 4 ermöglicht. So ist wiederum eine gute Wärmeübertragung auch an komplexe Formstrukturen der formgebenden Kernstruktur 5, wie kleine Radien oder steile Ecken, sichergestellt.
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3 zeigt ein beispielhaftes Heizmuster der elektrisch leitenden Fasern bzw. Heizelemente 6b, 14b auf dem Träger 6a, 14a. Die zum Roving zusammengefassten, elektrisch leitenden Fasern können je nach gewünschter Wärmeeinbringung entweder global gleichmäßig verteilt oder lokal konzentriert auf dem Träger 6a, 14a angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine lokale Überhitzung wie zum Beispiel an kleinen Radien oder steilen Ecken der formgebenden Kernstruktur 5 vermieden und somit eine unterschiedliche und ungenügende Oberflächenbeschaffenheit der Formteiloberfläche, d. h. des geformten Rohteils 4 verhindert werden. Weitere mögliche Heizmusterverläufe sind beispielsweise parallel verlaufende Linien, Quadrate, Rechtecke, Kreise, Spiralen und/oder Freiformen.
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Für eine gezielte Wärmeeinbringung kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Werkzeugvorrichtung 1 eine nicht dargestellte Steuereinrichtung zur lokalen Steuerung der Temperaturverteilung entlang einer Wärmeübertragungsfläche, hier z. B. der Flachseite der formgebenden Kernstruktur 5, aufweist. Die Wärmeübertragungsfläche ist also z. B. durch die zum Arbeitsraum zugewandte Innenfläche 20 der formgebenden Kernstruktur 5 gebildet.
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Die 4a, 4b, 4c zeigen in einem Querschnitt einer alternativen Werkzeugeinheit 2 einen Ausschnitt eines beispielhaften Prozessablaufs zur Fertigung des Bauteils aus einem flächenförmigen Rohteil 4 in der Werkzeugeinheit 2. Hier ist die Werkzeugeinheit 2 als ein quergeteiltes Werkzeug mit einem Ober- und einem Unterwerkzeug ausgebildet, wobei das Unterwerkzeug durch die formgebende Kernstruktur 5, die erste Heizeinrichtung 6 sowie durch die Versteifungsstruktur 7 gebildet ist. Die formgebende Kernstruktur 5 ist als eine Matrize ausgebildet. Die formgebende Kernstruktur 5 weist zur Fertigung des flächenförmigen Bauteils die entsprechend gewünschte flächenförmige Negativkontur an ihrer Innenseite 20 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Rohteil 4 wirkmedienbasiert umgeformt.
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In der 4a ist das Rohteil 4 in der Werkzeugeinheit 2 eingelegt und durch Verklemmung zwischen Ober- und Unterwerkzeug mit dem erforderlichen Niederhalterdruck beaufschlagt. Somit ist das Rohteil 4 in der geschlossenen Werkzeugeinheit 2 fest eingespannt. In dem in der 4a gezeigten Prozessschritt beginnt die Zuführung und/oder Abführung eines Druckmediums in und/oder aus dem Arbeitsraum 3. Bei dem Druckmedium kann es sich um ein Gas wie Argon oder um eine Flüssigkeit wie Wasser handeln. Das Druckmedium baut gegenüber dem Rohteil 4 den durch Pfeile angedeuteten Druck p in Form eines Über- und/oder Unterdrucks auf. Zwischen Druckmedium und Rohteil 4 befindet sich die Formmembran 12 mit der zweiten Heizeinrichtung 14. Eine Ein- bzw. Ausleitungsöffnung für Medium zur Erzeugung des Über- und/oder Unterdrucks p ist in 4a–c nur symbolisch angedeutet und befindet sich in der Praxis an ein oder mehr geeigneten Stellen. Gemäß 4d kann im Falle eines Unterdrucks, der zwischen Formmembran 12 und Kernstruktur 5 aufgebaut wird, das Oberwerkzeug auch weggelassen werden. Das Rohteil 4 ist in 4d der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
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Wie in der 4b gezeigt, bildet sich eine sogenannte freie Umformzone aus. Das Rohteil 4 wird mittels des Druckmediums mit dem Druck p beaufschlagt und auf diese Weise in Richtung der formgebenden Kernstruktur 5 bewegt. In einem Folgeschritt, hier nicht dargestellt, formt sich das Rohteil 4 teilweise an die Wärmeübertragungsfläche der formgebenden Kernstruktur 5 an. Somit liegen bis zur Beendigung des Umformprozesses Teilbereiche des Rohteils 4 unterschiedlich lang an der Wärmeübertragungsfläche, d. h. der Innenfläche 20 an. Um trotz der unterschiedlichen Berührzeiten eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf dem Rohteil 4 zu erzielen, ist es möglich, dass in den Bereichen mit den längeren Berührzeiten eine geringerer Wärmestrom über die formgebende Kernstruktur 5 abgegeben wird. Dies kann einerseits durch die o. g. Steuereinrichtung erreicht werden, indem entsprechende dort vorhandene lokale Bereiche der ersten und/oder zweiten Heizeinrichtungen 6, 14 weniger stark zur Wärmeerzeugung angesteuert werden als andere Bereiche der Heizeinrichtungen 6, 14. Alternativ ist es möglich, dass in den Bereichen mit den längeren Berührzeiten die Heizeinrichtung 6, 4 eine verringerte Wärmemenge pro Zeit abgibt, z. B. eine geringere Temperatur aufweist. Z. B. ist dort eine verringerte Menge an elektrisch leitenden Fasern (weniger dicht verlegte Fasern, weniger Abstand zwischen Fasern) als in den Bereichen mit den kürzeren Berührzeiten (Fasern dichter mit weniger Abstand zueinander angeordnet) angeordnet. Auf diese Weise kann durch eine ungleichmäßige Temperatur der Kernstruktur 5 und der Formmembran 12 eine gleichmäßige Temperaturbeaufschlagung auf das Rohteil 4 und folglich eine hohe Oberflächengüte erzielt werden.
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Die Werkzeugeinheit 2 umfasst die Formmembran 12 in Form einer flexiblen Haube, wobei das Rohteil 4 zwischen der flexiblen Haube und der formgebenden Kernstruktur 5 angeordnet ist. Im Falle eines Überdruckmediums befindet sich zwischen Kernstruktur 5 und Formmembran 12 kein Druck- bzw. Wirkmedium. Zur Umformung des Rohteils 4 wird die flexible Haube mit dem Überdruck p des jenseits vorhandenen Druckmediums beaufschlagt, wodurch die flexible Haube gegen das Rohteil 4 gepresst und somit das Rohteil 4 an die formgebende Kernstruktur 5 angelegt wird. Die flexible Haube verhindert einen direkten Kontakt des Rohteils 4 mit dem Wirkmedium. Somit kann als Wirkmedium z. B. Wasser oder Öl eingesetzt werden, ohne den Bedarf eines zusätzlichen Trocknungs- bzw. Reinigungsschritts des Bauteils. Insbesondere kann auf teureres Argon als Wirkmedium verzichtet werden. Beispielsweise ist die flexible Haube als eine Silikonhaube ausgebildet. Die Formmembran 12 enthält die zweite Heizeinrichtung 14 mit dem zweiten Heizelement 14b und dient für dieses als zweiter Träger 14a. So wird Wärme beidseitig, also von der Kernstruktur 5 und von der Formmembran 12 her in das Rohteil 4 eingebracht.
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Die 5a, 5b zeigen in einem Querschnitt und Längsschnitt einer alternativen Werkzeugeinheit 2 einen Ausschnitt eines beispielhaften Prozessablaufs zur Fertigung des rohrförmigen Bauteils in der Werkzeugeinheit 2 aus einem Rohteil 4. Hier umfasst die Werkzeugeinheit 2 ein Außenrohr, wobei das Außenrohr durch die formgebende Kernstruktur 5, die erste Heizeinrichtung 6 sowie durch die Versteifungsstruktur 7 gebildet ist. Ferner umfasst die Werkzeugeinheit 2 einen flexiblen Innenschlauch als Formmembran 12, der radial innenseitig des Außenrohres bezüglich einer Längsachse A des Außenrohrs angeordnet ist und wiederum die zweite Heizeinrichtung 14 trägt. Beispielsweise ist der flexible Innenschlauch ein Silikonschlauch. Das in den Arbeitsraum 3 eingelegte Rohteil 4 ist beispielsweise ein rohrförmiges Halbzeug aus einem Prepreg. Die zweite Heizeinrichtung 14 dient zur Beheizung des Rohteils von der radial inneren Seite her, die erste Heizeinrichtung 6 zur Beheizung von der radial äußeren Seite her.
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In der 5a ist das Rohteil 4 und die Formmembran 12 mit zweiter Heizeinrichtung 14 in der Werkzeugeinheit 2 eingelegt und mit in 5b dargestellten freien Endbereichen mit dem erforderlichen Niederhalterdruck beaufschlagt. Somit ist das Rohteil 4 in der geschlossenen Werkzeugeinheit 2 fest eingespannt. In dem in der 5a gezeigten Prozessschritt beginnt die Zuführung des Druckmediums in den Arbeitsraum 3, wodurch sich wieder ein Überdruck p radial auswärts an der Formmembran 12 aufbaut. Zwischen Kernstruktur 5 und Formmembran 12 ist kein Druckmedium vorhanden. Bei dem Druckmedium kann es sich wie oben beschrieben um ein Gas wie z. B. Argon oder um eine Flüssigkeit wie z. B. Wasser handeln.
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Wie in der 5b im Längsschnitt der Werkzeugeinheit 2 gezeigt, wird das Wirkmedium zur Umformung des Rohteils 4 radial innen liegend in das Innere der Formmembran 12, hier in Form eines flexiblen Innenschlauchs eingeleitet, sodass der flexible Innenschlauch radial auswärts ausgedehnt bzw. aufgeblasen wird. Durch das Aufblasen des Innenschlauchs presst sich eine Außenmantelfläche des Innenschlauchs mittels Überdruck p radial nach außen gegen das Rohteil 4 in Richtung des Außenrohrs 5, 6, 7. Somit wird das Rohteil 4 mittels des Druckmediums mit dem Druck p beaufschlagt und auf diese Weise an die formgebende Kernstruktur 5 angelegt. Dabei wird es durch die Heizeinrichtungen 6 und 14 beheizt. Nach der Umformung des Rohteils 4 in die Endkonturform kann der Wärmevorgang beendet werden und ein Aushärten des Rohteils 4 erfolgen. Im Anschluss wird das Wirkmedium abgeleitet, der flexible Innenschlauch 10 entfernt und das Rohteil 4 als fertiges Bauteil ausgeworfen. Alternativ oder zusätzlich kann auch bei der Ausführungsform gemäß 5a, b mit Unterdruck p gearbeitet werden, der dann die Formmembran 1 radial nach außen zieht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugvorrichtung
- 2
- Werkzeugeinheit
- 3
- Arbeitsraum
- 4
- Rohteil
- 5
- Kernstruktur
- 6
- erste Heizeinrichtung
- 6a
- erster Träger
- 6b
- erstes Heizelement
- 7
- Versteifungsstruktur
- 8
- Roving-Zuführung
- 9
- Nähfaden
- 12
- Formmembran
- 14
- zweite Heizeinrichtung
- 14a
- zweiter Träger
- 14b
- zweites Heizelement
- 20
- Innenseite
- A
- Längsachse
- D
- Dicke
- p
- Druck
