DE102015011633A1

DE102015011633A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von direkt aus CAD-Daten gebildeten multifunktionalen 3-D-Flächen und deren Fixierung durch einen magnetorheologischen Effekt

Info

Publication number: DE102015011633A1
Application number: DE102015011633.9A
Authority: DE
Inventors: Matthias Lange; Jürgen Bast
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2017-03-09

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von aus CAD/CAM-Software gebildeten 3D-Flächen, deren Konturen für das Presssen oder Tiefziehen von Metallen und Kunststoffen bzw. für das Schaffen von räumlichen Bildern sowie für eine räumliche Dämpfung von Kräften genutzt werden, dadurch gekennzeichnet, 1. dass die Konturen durch viele kleine Stempel gebildet werden, deren Positionen zur Bildung der räumlichen Oberfläche bzw. zum Abfangen von Umformbeanspruchungswirkungen durch das Anlegen eines elektrisch gesteuerten Magnetfeldes unmittelbar an die beweglichen Stempel oder über die Arretierung mittels magnetorheologischer Flüssigkeit fixiert werden können.

Description

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren und eine Vorrichtung für die definierte Einstellung von 3D-Flächen durch eine Vielzahl kleiner Stempel, die motorische angetrieben werden und individuell in axialer Richtung verstellbar sind. Die Gestalt der 3D-Fläche kann direkt aus einer CAD/CAM-Software mit einem Computer vorgegeben werden. Die Fixierung der Stempel in ihrer Position beim Einbringen von Kraftwirkungen wird durch das Anlegen eines Magnetfeldes an eine magnetorheologische Flüssigkeit realisiert. In einer Form zum Tiefziehen von Bauteilen kann die Vorrichtung zum Rapid Prototyping eingesetzt werden, wobei die Geometrie der 3D-Fläche schnell und unkompliziert verändert werden kann. Beim Ausstatten der Stempel mit Lichtelementen lassen sich räumliche optische Effekte für Reklamezwecke umsetzen.
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Schaffung von räumlich geformten Konturen, mit deren Hilfe einerseits Tiefziehteile aus Metallen und Kunststoffen im Rapid Prototyping-Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 hergestellt und die andererseits räumliche Bilder auf Reklameflächen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dargestellt werden können.
Stand der Technik
Ein wesentliches Verfahren der Umformtechnik, um Metalle oder Kunststoffe eine definierte Geometrie zu erteilen, ist das Tiefziehen. Dazu wird eine Form benötigt, in die das Material mit Hilfe von geformten Stempeln eingedrückt wird, um dem Werkstoff die gewünschte Geometrie zu verleihen. Das Herstellen der Form und der Stempelgegenform ist sehr aufwändig. Dieser Aufwand lohnt sich nicht bei der Herstellung einer kleinen Zahl von Abformungen. Insbesondere dann, wenn im Rahmen der Produktentwicklung sowohl funktionell als auch technologisch noch nicht die endgültige Bauteilgeometrie gefunden wurde. Notwendige Veränderungen an der Form bzw. Stempelgegenform sind die Folge, die dazu führt, dass neben den materiellen Aufwendungen auch erhebliche Zeitverzüge bei der Produktionsaufnahme zu verzeichnen sind. Aus diesem Grund hat die Rapid Prototyping-Fertigung beim Tiefziehen noch keinen Eingang gefunden.
Unabhängig davon gibt es Vorstellungen, relativ einfach und schnell sowohl Form als auch Stempelgegenform herzustellen, wobei das mit Hilfe des Tiefziehens entstandene Bauteil noch nachbearbeitet werden muss.
Das Patent US 4212188 A präsentiert ein Werkzeug zum Blechumformen, bei dem zwei gegenüberliegende Stempelkassetten aus vielen kleinen Stempeln angewendet werden. Die Stempel sind einzeln beweglich und in ihrer Lage individuell einstellbar, wodurch sich eine Geometrie beliebiger Gestalt einstellen lässt. Zur definierten Einstellung dient ein motorischer Antrieb und die Kontrolle wird mit einem Mikroprozessor vorgenommen.
Die Gestaltung der Form und der Stempelgegenform ist in einer Vorrichtung zur Metallumformung mit Hilfe sogenannter Formfinger in Patent US 5 187969 A beschrieben, deren Höhenposition mit Hilfe eines Kontrollmechanismus so eingestellt werden kann, dass die gewünschte Geometrie entsteht.
Das Patent US 5546784 A beschreibt ein sich selbsteinstellendes Gesenk, mit dessen Hilfe computergesteuert die erforderliche Geometrie eingestellt werden kann.
Die Verwendung von CAD/CAM-Software, um die einzelnen Stempel zu positionieren, wird im Patent US 5796620 A dokumentiert.
Weitere amerikanische Patente ( US 5 954 175 A , US 6 012 314 A , US 6 053 026 A , US 6 089 061 und US 6209380 B1 ) beschreiben Erfindungen, die ebenfalls kleine Stempel als formbildende Elemente benutzen, deren Positionierung durch Computer gesteuert wird.
Im Patent DE 199 21 176 A1 wird eine Matrize beschrieben, die zur Erzeugung von Blechen eingesetzt wird, wobei die Stempel und die Gegenstempelform aus mehreren Poloyonen bestehen, die individuell und unabhängig von einander in der Höhe verstellt werden können.
Im Patent DE 10 2007 009 597 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verformen von Blechen und Kunststoffen geschützt, die aus in einer Presse einzusetzendem Ober- und Unterwerkzeug besteht. Mindestens einer der beiden Teil-Werkzeuge bzw. Formen besteht aus einer Vielzahl von Stempeln, die individuell in axialer Richtung verstellbar sind. Zum Abfangen der beim Tiefziehprozess auftretenden Kräfte werden die Stempel durch Spannung von außen gegeneinander verspannt und fixiert. Das Positionieren der Stempel erfolgt vorzugsweise in vertikaler Lage der der Form und bei gelöster Spannung. Das Anpassen der Stempel kann durch ein nachzuformendes Prototypenteil, ein Originalteil oder durch eine Pappschablone erfolgen. Erst nach dem Verspannen kann das Werkzeug in die horizontale Arbeitslage gebracht werden. Die Verspannung, um die vorpositionierten Stempel beim Umformprozess in ihrer Lage zu halten, wird durch Verschrauben einer Spannplatte realisiert. Eine zweifache Verspannung von beiden Seiten ist ebenfalls möglich. Unter Verwendung eines U-förmigen Rahmens kann die Vorrichtung durch eine zu verschraubende Platte verschlossen und verspannt werden. Die Verschlussplatte kann auch mit Federkraft auf die Stempel drücken. Durch ein aufblasbares Gegendruckmittel können die Ober- und Unterform zusätzlich von der Gegenseite abgestützt werden und ein Verrutschen der positionierten und durch Spannung fixierten Stempel verhindern.
In den Beschreibungen der amerikanischen Patente findet man detaillierte Angaben zur Höheneinstellung der Stempel auch mit Hilfe von Mikroprozessoren und Computersteuerung, ohne dass auf die notwendige Fixierung der Stempel beim Aufbringen von Umformwirkungen eingegangen wird. In der Regel sind die Antriebselemente der die Stempel nicht in der Lage derartige Kraftwirkungen abzufangen.
Der Nachteil in der deutschen Patentbeschreibung besteht in der aufwändigen Positionierung der Stempel durch ein Original- oder Prototypenteil bzw. durch eine Pappschablone. Die Vorpositionierung der Stempel erfordert ein Arbeiten in einer vertikalen Lage mit anschließendem Verspannen durch eine mechanische Spannvorrichtung und einem Wenden in die horizontale Arbeitslage. Das Verrutschen der individuell einstellbaren Stempel ist in der Regel nicht aufzuhalten.
Im Abschlussbericht des DFG-Schwerpunktprogramms „Flexible Umformtechnik” (Abschlussbericht zum DFG Schwerpunktprogramm Flexible Umformtechnik, Verlag Mainz 1995) wird in der Veröffentlichung zur „Grundlagenuntersuchungen zur Entwicklung eines flexiblen, numerisch einstellbaren Werkzeugsystems für Blechumformverfahren” ein flexibler Tiefziehstempel vorgestellt, der das Stiftpaket, den Spannrahmen und die Spanneinrichtung umfasst, mit deren Hilfe eine 3D-Fläche eingestellt werden kann. Die notwendige Einstelleinrichtung beinhaltet die Verbindung des CAD-Bildes mit dem einstellbaren segmentierten Werkzeugen. Die axiale Verschiebung der Segmentstempel wird über eingeschraubte Gewindestangen realisiert. Die Fixierung der Stempel in der Umformposition erfolgt über einen Spannrahmen.
Um die teuren Rapid-Prototyping-Werkzeuge aus gefrästem Holz abzulösen, deren Verwendungszweck ausschließlich auf eine Form begrenzt und mit langen Bearbeitungszeiten verbunden ist, wird in der Broschüre „Forschung und Innovation” für kleine und mittlere Unternehmen in Sachsen (Innovationsprozesse anstoßen Sächsisches Staatministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr Januar 2013) ein Rapid-Prototyping-Werkzeug vorgestellt. Dieses Werkzeug beinhaltet eine Trägerplatte als 3D-Formtisch, der in einer engen Rasterung mit axial verstellbaren Stößeln als Formgebungselement bestückt ist. Die Erfassung der Vorpositionierung erfolgt über eine Messeinrichtung direkt. Angaben zur Verspannung, um die Umformkräfte aufzunehmen, werden nicht gemacht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von 3D-Flächen zu schaffen, mit deren Hilfe sehr schnell und kostengünstig sowohl Rapid-Prototyping-Formen für die Metallumformung als auch dreidimensionale Bilder für Reklamezwecke erzeugt werden können. Die in diesem Zusammenhang erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung funktioniert in der Weise, dass ausgehend von einer CAD/CAM-Software viele kleine Stempel individuell in axialer Richtung motorisch bewegt und positioniert werden. Dadurch kann die Form sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Lage eingestellt werden. Das unkontrollierte Verschieben und Verrutschen der Stempel werden dadurch ausgeschlossen. Die Beanspruchungen beim Umformen in der vorgegebenen Position werden durch das Anlegen eines Magnetfeldes an eine magnetorheologische Flüssigkeit abgefangen, die eine Bewegung eines jeden Stempels verhindert. Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Herstellung einer Vorrichtung, mit der ohne großen Aufwand Prototypenteile nach dem Tiefziehprozess erzeugt werden können, wobei die Geometrie des Teils durch eine 3D-Fläche abgebildet wird, die durch eine Vielzahl individuell computergesteuerter Stempel direkt aus der CAD/CAM-Darstellung des Rechners gebildet wird. Die Fixierung der positionierten Stempel zur Aufnahme von Umformkrafteinwirkungen erfolgt durch das Anlegen eines Magnetfeldes an eine magnetorheologische Flüssigkeit, die ein Verschieben der Stempel verhindert. Nach dem Umformprozess kann durch das Abschalten des Magnetfeldes die Beweglichkeit der Stempel wieder garantiert werden. Im Falle einer erforderlichen Konturenänderung wird das neue CAD/CAM-Bild mit Hilfe von Kleinstmotoren auf die Stempelprofile übertragen, Dadurch wird in nahezu Echtzeit ein neues oder geändertes Bauteilprofil geschaffen.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird an dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel erläutert. Zur Realisierung des Umformprozesses von Metallen, Kunststoffen oder ähnlichen Materialien durch Tiefziehen bedarf es einer Form und eines Stempels. Die Geometrie der Form bildet dabei die Kontur des zu fertigenden Bauteils ab in die das umzuformende Material mit Hilfe des Stempels eingedrückt wird. Bei Neuteilen trifft es oft zu, dass die Formgeometrie noch nicht optimal gestaltet ist, um ein qualitätsgerechtes Fließen des Umformmaterials zu gewährleisten. Oft sind es auch funktionelle Gründe, die eine Veränderung der Formgeometrie erforderlich machen. Solche Veränderungen sind unter normalen Bedingungen mit hohen Kosten und großem Zeitaufwand verbunden. Die Produktionsentwicklungszeit wird dadurch erheblich verlängert. Durch die vorliegende Erfindung werden diese Nachteile beseitigt.
Die in nahezu Echtzeit wandelbare und fixierbare Form eröffnet auch ganz neue Möglichkeiten der Verwendung, wie zum Beispiel im Werbe- und Wissenschaftsbereich. Man kann die Formveränderung beobachten und sofort beeinflussen.
1 zeigt die Gesamtansicht der Vorrichtung. Zur Einstellung eines Stempels 1 in die gewünschte Position wird dieser von einem Motor 2 über eine Verbindungsstange 3 in axialer Richtung bewegt. Die Koordinaten der Position erhält der Motorantrieb aus dem in der CAD/CAM-Software hinterlegten Bild der zu real bildenden 3D-Fläche.
Im Verlauf des Prozesses können jeweils nur die Einzelstempel oder auch alle Stempel gleichzeitig in nahezu Echtzeit in die gewünschten Positionen gebracht werden.
2 zeigt einen Einzelstempel mit Antrieb und Arretierungssystem Die Verbindungsstange 3, die vom Stellmotor 2 geführt wird, ist über eine mechanische oder magnetische Kupplung 4a/4b mit dem Stempel 1 in axialer Richtung verbunden.
Der Stempel 1 durchläuft einen Kolben 5 mit magnetorheologischer Flüssigkeit oder mit einem anderen elektromagnetischen Arretierungssystem. Durch einen Computer 7 erhält der elektrische Stellmotor 2 die Steuerbefehle für die Positionierung der Verbindungsstange 3, die über die Kupplung 4a/4b die Bewegung in der A–B Achse auf den Stempel 1 überträgt. Die Stromversorgung für die Funktionen des Stellmotors 2 kann auch über Batterie erfolgen.
Über den Computer 7 wird auch das magnetische Feld im Kolben 5 gesteuert. Dadurch kann der Stempel 1 in seiner axialen Bewegung arretiert, gedämpft oder gelöst werden. Die Stromversorgung für die Funktionen des Kolbens 5 kann auch über Batterie erfolgen.
Durch Computer-Steuerbefehle kann außerdem der Stempelkopf 6 beim Einsatz für spezielle Zwecke wie Werbung, Warnung und Markierung verschiedene Leuchtfunktionen ausführen. Diese können auch über Funksignale gesteuert werden. Die Stromversorgung für diese Leuchtfunktionen kann ebenfalls über Batterie erfolgen.
Der Stellmotor 2, der die Verbindungsstange 3 führt, ist auf dem waagerechten Teileträger 8 fixiert. Der Kolben 5, der den Stempel 1 führt, ist auf dem waagerechten Teileträger 9 fixiert. Der Abstand der beiden Teileträger 8 und 9 ist stets gleich und wird durch Stabilisierungselemente gewährleistet, die sowohl fixierbar als auch lösbar sind.
Der Stempel 1, der im Kolben 5 (auf dem Teileträger 9) geführt wird, kann über das Kupplungselement 4a/4b von der Verbindungsstange 3, die von dem Stellmotor 2 (auf dem Teileträger 8) geführt wird, gelöst oder mit ihr verbunden werden.
Der waagerechte Teileträger 9 mit dem Kolben 5, der den Stempel 1 führt, ist über das Kupplungselement 4a/4b von der Verbindungsstange 3, die von dem Stellmotor 2 auf dem Teileträger 8 geführt wird, sowohl abnehmbar als auch aufsetzbar.
Die waagerechten Teileträger 8 und 9 mit ihren technischen Elementen sind modular einzeln transportabel. Die Stromversorgung während des Transportes der Einzelmodule kann über Batterie erfolgen.
Vor der Arretierung der Stempel 1 durch die steuerbaren Magnetkräfte der Kolben 5 kann die Position jedes einzelnen Stempels 1 auf dem Teileträger 9 auch manuell eingestellt oder verändert werden. Die so eingestellten Positionen der Stempel 1 werden mit Elektro- oder Funkimpulsen an den Computer 7 weitergegeben und erscheinen als Veränderung im Computerbild.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4212188 A [0005]
US 5187969 A [0006]
US 5546784 A [0007]
US 5796620 A [0008]
US 5954175 A [0009]
US 6012314 A [0009]
US 6053026 A [0009]
US 6089061 [0009]
US 6209380 B1 [0009]
DE 19921176 A1 [0010]
DE 102007009597 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Abschlussbericht zum DFG Schwerpunktprogramm Flexible Umformtechnik, Verlag Mainz 1995 [0014]
Innovationsprozesse anstoßen Sächsisches Staatministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr Januar 2013 [0015]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von aus CAD/CAM-Software gebildeten 3D-Flächen, deren Konturen für das Presssen oder Tiefziehen von Metallen und Kunststoffen bzw. für das Schaffen von räumlichen Bildern sowie für eine räumliche Dämpfung von Kräften genutzt werden, dadurch gekennzeichnet, 1. dass die Konturen durch viele kleine Stempel gebildet werden, deren Positionen zur Bildung der räumlichen Oberfläche bzw. zum Abfangen von Umformbeanspruchungswirkungen durch das Anlegen eines elektrisch gesteuerten Magnetfeldes unmittelbar an die beweglichen Stempel oder über die Arretierung mittels magnetorheologischer Flüssigkeit fixiert werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel durch eine Ansteuerung aus einer CAD/CAM-Software motorisch oder hydraulisch in axialer Richtung verschoben werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Antriebselemente als auch die Dämpfungs- und Arretierungselemente der Stempel mit Batteriestrom betrieben werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel und deren Antriebe einzeln austauschbar sein können.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass Ansteuerung und Fixierung eines jeden Stempels durch Funkimpulse realisiert werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel in einem Kolben mit magnetorheologischer Flüssigkeit oder einem anderen elektromagnetisch gesteuerten Dämpfungs- und Arretierungssystem installiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel durch Veränderung des Magnetfeldes wieder für veränderte oder neue Konturen positioniert werden können.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelstempel sowohl computergesteuert als auch manuell positioniert werden können.
Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass auch eine manuelle Positionierung der Stempel automatisch vom Computer erfasst werden kann.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch als Dämpfungssystem und Blockiersystem für Flächen mit variablen Oberflächen verwendet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung der Stempel durch geringe Antriebskräfte erfolgen kann
Verfahren nach Anspruch 1 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel durch ein elektromagnetisch gesteuertes Arretierungssystem hohe Druckkräfte aufnehmen können.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass Bewegung und Fixierung der Stempel in nahezu Echtzeit erfolgen können
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Positionierung und Fixierung der Stempel durch elektromagnetische oder magnetorheologische Kräfte die wiederverwendbare modulare Form auf dem oberen Teileträger durch Kupplungselemente von dem unteren Teileträger samt dessen elektrischer Stellelemente trennbar, abnehmbar und separat transportierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberteile der Stempel lichtleitend, transparent und leuchtend sein können sowie verschiedene Färbungen und Helligkeiten annehmen können.
Verfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass durch den raschen Wechsel der Positionen der Stempel und der Farben der Lichtquellen sowie deren Helligkeiten räumliche Effekte geschaffen werden können
Verfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Stempelfarben und deren Helligkeiten durch Funkimpulse gesteuert werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass es durch eine modulare Bauweise keine Begrenzung der räumlichen Oberfläche gibt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 18 dadurch gekennzeichnet, dass durch eine räumliche Anordnung der Module mit ihren Oberflächen nach innen eine dreidimensionaler Hohlform entstehen kann, die entsprechend der Steuerung durch Computer-Signale ihre Form in nahezu Echtzeit verändern kann.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 18 dadurch gekennzeichnet, dass durch eine räumliche Anordung der Module mit ihren Oberflächen nach außen eine dreidimensionale Form entstehen kann, die sich entsprechend der Steuerung durch Computer-Signale in nahezu Echtzeit verändern kann.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 16 dadurch gekennzeichnet, dass im Computer digitalisierte Bilder oder Filme mit visuellen 3-D-Flächen in nahezu Echtzeit in eine dreidimensionale räumliche Oberfläche umgesetzt werden können.