DE102016003840A1

DE102016003840A1 - Verfahren und Vorrichtung zur inkrementellen Formänderung von dünnwandigen Werkstücken, insbesondere Blechwerkstücken

Info

Publication number: DE102016003840A1
Application number: DE102016003840.3A
Authority: DE
Inventors: Thai Dang; Soeren Gies; A. Erman Tekkaya; Lars Kühnemann; Mounir Kouachi; Peter Beckhaus
Original assignee: Zbt - Zentrum fur Brennstoff-Zellentechnik GmbH; Technische Universitaet Dortmund
Current assignee: Zbt - Zentrum fur Brennstoff-Zellentechnik GmbH; Technische Universitaet Dortmund
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2017-10-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur inkrementellen Formänderung von dünnwandigen Werkstücken (2), insbesondere dünnwandigen Blechwerkstücken (2), bei dem mit mindestens einem Umformwerkzeug (1) das dünnwandige Werkstück (2) lokal plastisch umgeformt wird, wobei das Umformwerkzeug (1) derart ausgebildet und/oder derart relativ zu dem Werkstück (2) beweglich angeordnet wird, dass bei der inkrementellen Formänderung in der lokalen Umformzone (12) des Werkstücks (2) ein Rollreibungskontakt durch eine sich abwälzende Relativrotation (19, 21) zwischen Umformwerkzeug (1) und Werkstück (2) entsteht. Ebenfalls wird eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur inkrementellen Formänderung von dünnwandigen Werkstücken, insbesondere Blechwerkstücken, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 9.
Heutzutage werden Blechbauteile als typische Anwendung dünnwandiger Werkstücke für unterschiedlichste Anwendungen auch auf sehr unterschiedlichen Wegen hergestellt. Zu den meistverwendeten Herstellungsverfahren zählen beispielsweise konventionelle Verfahren wie etwa das Stanzen, das Tiefziehen und das Streckziehen. Diese Verfahren erfordern den Einsatz von häufig aufwendig gestalteten Werkzeugen, die eine hohe Geometriebindung aufweisen und entsprechend teuer und zeitaufwändig hergestellt werden müssen. Bei Einzelstücken oder kleinen Losgrößen jedoch sind diese Umformverfahren aufgrund der hohen Fertigungskosten für Maschinen und Anlagen sowie der zeitintensiven Herstellung der Werkzeuge weniger geeignet. Deshalb wurden in den letzten Jahren neue Umformverfahren entwickelt, bei denen das Blech die gewünschte Endkontur in vielen kleinen Umformschritten erhält. Diese Umformverfahren werden insgesamt als „inkrementelle Umformverfahren” bezeichnet. Diese Verfahren verbindet, dass die zum Einsatz benötigten Umformkräfte sehr viel geringer als bei den konventionellen Umformverfahren sind.
Durch die nur noch lokal wirkenden Werkzeuge und die entsprechen verringerten Umformkräfte kann eine Einspannvorrichtung für dünnwandige Werkstücke genutzt werden, um derartige Verfahren z. B. auch auf handelsüblichen CNC-Fräsmaschinen auszuführen. Die Umformung derartiger dünnwandiger Werkstücke erfolgt dabei mittels eines an einen Fingerfräser erinnernden, üblicherweise zylindrischen Umformwerkzeuges mit einer kugeligen Wirkfläche, das sich CNC-gesteuert auf Bahnen über das dünnwandige Werkstück bewegt und dieses sukzessive umformt. Zur Unterstützung des dünnwandigen Werkstücks kann bei der Umformung ein Gegenwerkzeug verwendet werden, das der Negativform der zu fertigenden Bauteilgeometrie entspricht. Dieses Verfahren erlaubt somit eine schnellere Umsetzung einer Produktidee in einen Prototypen und eignet sich daher besonders zur Herstellung von Blechteilen in Kleinserien oder für den Prototypeneinsatz.
Der Grundaufbau einer solchen aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zur inkrementellen Blechumformung besteht gemäß 1 typischerweise aus einer nicht dargestellten CNC-Maschine mit einer Werkzeugaufnahme 8, einem in sich starren und fest an einer Werkzeugaufnahme 8 der CNC-Maschine angeordneten Umformwerkzeug 1 sowie einer Blechhaltevorrichtung, die aus einem Niederhalter 7 und einer Patrize 3 zur Aufnahme von dünnwandigen Folien bzw. Blechen 2 besteht. Die Erzeugung von inkrementell lokal umgeformten, vertieft liegenden Strukturen 22 erfolgt durch die Zustellung des Umformwerkzeugs 1 in Richtung auf das unverformte Werkstück 2 und durch das Abfahren von vordefinierten Bahnen mit dem Umformwerkzeug 1 entlang der Oberfläche des Werkstücks 2. Hierbei drückt sich das Umformwerkzeug 1 jeweils lokal in das umzuformende Werkstück 2 ein und verformt dieses lokal und inkrementell, wobei sich abhängig von der Zustellung und den Bahnen die vertieft liegenden Strukturen 22 bilden. In der Summe entsteht dann durch viele solche Umformbahnen das fertig umgeformte Werkstück 10. Optional kann das Umformwerkzeug 1 auch aktiv rotiert werden, um die Reibungskräfte in der Umformzone 12 zu minimieren. Die hierbei typischerweise verwendete Haltevorrichtung gemäß 2 für das dünnwandige Werkstück 2 besteht aus drei Rahmenelementen 4, 5, 7, die über eine Zentrierung relativ zueinander ausgerichtet und an ihrem Umfang mit Schrauben verbunden werden. Dabei stellt der untere Rahmen 5 die Verbindung zwischen dem Tisch der nicht dargestellten CNC-Maschine und der Halterung 4, 7 für das dünnwandige Werkstück 2 her. Der mittlere Rahmen 4 dient zur Aufnahme einer Gegenpatrize 3, die durch den Anwender mittels gängiger Herstellungsverfahren (z. B. 3D-gedruckt, gefräst, gelasert, geschnitten) eingebracht werden kann. Die Gestaltung der Gegenpatrize 3 kann wie im Vergleich zum regulären inkrementellen Blechumformen als Teil- oder Vollpatrize ausgeführt werden oder aber es wird gänzlich auf eine Abstützung verzichtet. Zur Steigerung der Flexibilität kann gemäß 3 auch ein lokal mitbewegender Gegenhalter 6 verwendet werden, um komplexe Bauteile zu erzeugen. Zwischen dem mittleren Rahmen 4 und dem Niederhalter 7 ist die dünnwandige Folie 2 eingespannt und liegt dabei auf der Gegenpatrize 3 auf. Zur Aufbringung der Niederhaltekraft durch den Niederhalter 7 für die Blechhaltevorrichtung können z. B. magnetische, vakuumtechnische sowie Schraublösungen Anwendung finden.
Während der Umformung derartiger typischerweise dünnwandiger oder folienartiger Werkstücke 2 besteht bei der herkömmlichen inkrementellen Umformung die Gefahr, dass die üblicherweise kugelförmig ausgebildete Spitze 9 des Umformwerkzeugs 1 den Werkstoff des Werkstücks 2 einschneidet oder dass die kugelförmige Spitze 9 des Umformwerkzeugs 1 abbricht. Das Umformwerkzeug 1 in 2 ist im Vergleich zu der Struktur des Gegenhalters 6 sehr groß dargestellt. Eine Spitze ist auf den ersten Blick nicht sofort ersichtlich. Je dünnwandiger das zu bearbeitende Werkstück 2 ist, umso höher ist diese Gefahr, die zu Ausschuss und damit höheren Herstellkosten führt.
Ein denkbarer Einsatzbereich für derartig hergestellte dünnwandige Bleche bzw. Folien ist die Herstellung von Bipolarplatten und Separatoren für Brennstoffzellen und Elektrolyseure sowie Platten von Plattenwärmetauschern. Die Fluidleitungsstrukturen oder auch andere relevante Strukturen oder Zonen (Zonen zur Dichtungsunterstützung, Medieneinlässe und Medienauslässe, Zonen zur mechanischen Versteifung etc.) derartiger Platten bzw. Folien werden simulationsgesteuert ermittelt, müssen jedoch zum Testen und zur Optimierung neuer Brennstoffzellenlayouts anhand von Modellen verifiziert und überprüft werden. Die hierfür mit den entsprechenden Fluidleitungsstrukturen auszustattenden Bleche sind in der Regel sehr dünn, ihre Dicke liegt eher schon im Bereich von typischen Folienstärken. Viele solcher Platten bzw. Folien werden für die Herstellung einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels in einer gestapelten Anordnung benötigt, wobei die Genauigkeit für die Herstellung der Fluidleitungsstrukturen recht hoch angesiedelt werden muss. Für die Herstellung solcher Testmuster oder Prototypen für Brennstoffzellen, wobei die Anpassung von Strukturen schnell und einfach möglich sein sollte, ist daher ein hoher Aufwand erforderlich, um einzelne oder relativ wenige Platten aus folienartigem Material herzustellen. Die Verwendung inkrementeller Umformverfahren zur Einarbeitung solcher Strukturen wie z. B. Fluidleitungsstrukturen in die dünnwandigen Bleche ermöglicht hier zwar eine Flexibilisierung, kämpft aber mit den Problemen des Einreißens der Folien aufgrund der Reibungseinflüsse während der Formänderung.
Das plastische Umformen von Werkstücken mittels rollend gelagerter Wälzelemente ist grundsätzlich z. B. anhand der hydrostatisch gelagerten Werkzeuge HG2 der Fa. Ecoroll bekannt. Hierbei wird ein an einem Werkzeughalter formschlüssig gehaltertes Kugelwälzelement unter hydrostatischem Vordruck gesetzt und gegen eine festzuwalzende oder glattzuwalzende Oberfläche eines massiven Werkstücks gedrückt. Das Kugelwälzelement rollt dabei auf der glattzuwalzenden Oberfläche ab und verfestigt und glättet diese Oberfläche. Zwar wird hier lokal plastisch umgeformt, es geht aber praktisch keine bleibende Formänderung des Werkstückes damit einher, sondern es wird dabei nur die Oberfläche des Werkstücks verfestigt und geglättet. Zudem werden derartige Glättbearbeitungen nur an massiven, dynamisch hoch beanspruchten oder abrasiv beanspruchten Bauteilen ausgeführt, da es auch nur dort zu der entsprechenden Verfestigung kommt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Zuverlässigkeit des Verfahrens der inkrementellen Formänderung von dünnwandigen Werkstücken oder Bauteilen wesentlich zu verbessern und dadurch die Herstellung entsprechender Blechbauteile in Konkurrenz zu herkömmlichen Herstellungsverfahren zu verbessern.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung aus den Merkmalen des Anspruchs 9 jeweils in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung betreffend das Verfahren geht aus von einem Verfahren zur inkrementellen Formänderung von dünnwandigen Werkstücken, insbesondere dünnwandigen Blechwerkstücken, bei dem mit mindestens einem Umformwerkzeug das dünnwandige Werkstück lokal plastisch umgeformt wird. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass das Umformwerkzeug derart ausgebildet und/oder derart relativ zu dem Werkstück beweglich angeordnet wird, dass bei der inkrementellen Formänderung in der lokalen Umformzone des Werkstücks ein Rollreibungskontakt durch eine sich abwälzende Relativrotation zwischen Umformwerkzeug und Werkstück entsteht. Die Grundidee der Erfindung besteht darin, die Relativgeschwindigkeit zwischen der Oberfläche des Umformwerkzeugs und dem Werkstück zu verringern und im Idealfall auf Null zu reduzieren. Hierdurch werden alle negativen Effekte, die aufgrund der Reibung zwischen Umformwerkzeug und Werkstück verursacht werden, wie zum Beispiel das Reißen des Werkstückes bei der Formänderung, sicher vermieden und die Formänderung kann sicher ausgeführt bzw. viel stärker ausgeführt werden, als dies bei reibungsbehaftetem Kontakt zwischen Umformwerkzeug und Werkstück sonst möglich wäre. Die lokale plastische Umformung eines dünnwandigen Werkstückes zum Zwecke der Formänderung des Werkstückes wird dadurch insbesondere auch für sehr dünnwandige Werkstücke oder folienartige Werkstücke möglich, die gegenüber Reißen des folienartigen Werkstückes besonders empfindlich sind. Bildlich gesprochen bewegt sich das Umformwerkzeug während der Formänderung in der lokalen Umformzone genau mit der Geschwindigkeit, die sich aufgrund der linearen Vorschubbewegung des Umformwerkzeugs ergibt, wenn das Umformwerkzeug sich auf dem umzuformenden Bereich des Werkstückes unter mechanischem Kontakt abwälzt. Dadurch ist die Relativgeschwindigkeit zwischen der Abwälzbewegung des Umformwerkzeugs und dem umzuformenden Bereich des dünnwandigen Werkstücks genau bei Null oder sehr nahe bei Null. Aufgrund der fehlenden Relativbewegung zwischen Umformwerkzeug und dem umzuformenden Bereich des dünnwandigen Werkstücks aufgrund der abwälzenden Bewegung des Umformwerkzeugs kann sehr präzise und ohne die Gefahr des Reißens des Werkstücks die gewünschte Formänderung durchgeführt werden, was zu sehr präzisen und maßhaltigen Formänderungen beiträgt.
Zudem wird durch die abwälzende Bewegung des Umformwerkzeugs immer wieder aufs neue ein zum Beispiel auf das Werkstück aufgebrachtes oder in den Bereich des Umformwerkzeugs gebrachtes Schmiermittel in den Bereich zwischen Umformwerkzeug und umzuformendem Bereich des Werkstücks eingebracht und kann daher die Umformung weiter günstig beeinflussen. Insgesamt lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren sehr feine Strukturen auch bei sehr dünnen Werkstücken mit hoher Genauigkeit formändernd in das Werkstück einbringen und ermöglicht somit Einsatzbereiche für die inkrementelle Formgebung, die mit herkömmlichen Umformwerkzeugen bisher nicht zu erreichen waren. Hierbei ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur auf ebene dünnwandige Bauteile beschränkt, sondern kann auch für dreidimensional gekrümmte oder vorgeformte Bauteile sinnvoll genutzt werden.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die abwälzende Relativrotation des Umformwerkzeuges durch die relative Vorschubbewegung des Umformwerkzeuges gegenüber dem Werkstück und den mechanischen Kontakt des Umformwerkzeuges mit dem Werkstück hervorgerufen wird. Hierdurch wird quasi passiv die Vorschubbewegung des Umformwerkzeuges mittels der Bewegungseinrichtungen zum Beispiel der CNC-Maschine in eine Rotationsbewegung des Umformwerkzeuges umgesetzt, indem sich das drehbar gelagerte Umformwerkzeug auf der Oberfläche des Werkstückes genau in dem Maße abwälzt, wie dies der Vorschubbewegung des Umformwerkzeugs entspricht. Es werden damit für die Erzeugung der Rotationsbewegung des Umformwerkzeugs keinerlei gesonderte Antriebe benötigt, was zu einer weiteren Vereinfachung der für die Durchführung des Verfahrens benötigten Einrichtungen beiträgt.
In einer ersten denkbaren Ausgestaltung kann das Umformwerkzeug rotationssymmetrisch geformt und derart drehbeweglich gelagert werden, dass das Umformwerkzeug sich bei der inkrementellen Formänderung in der lokalen Umformzone des Werkstücks rollend auf dem Werkstück abwälzt. Beispielsweise kann sich ein in einer CNC-Maschine in der rotatorisch beweglichen Werkzeugaufnahme eingesetztes Umformwerkzeug aufgrund des Kontaktes zwischen dem Umformwerkzeug und dem Werkstück von alleine drehen und sich so auf dem Werkstück in der beschriebenen Weise abwälzen. Dies ist immer dann sinnvoll einsetzbar, wenn die Umformung des typischerweise mit einem halbkugeligen Endbereich erfolgt und der Kontakt zwischen dem halbkugeligen Endbereich und dem Werkstück im wesentlichen tangential an den Umfang des Umformwerkzeugs erfolgt. Durch das außermittige Angreifen des Kontaktpunktes zwischen Werkstück und Umformwerkzeug wird bei einer Vorschubbewegung ein Drehmoment auf das Umformwerkzeug ausgeübt und dieses Drehmoment sorgt für eine Rotation des Umformwerkzeugs und dessen rein abwälzende Bewegung.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung kann zwischen dem Umformwerkzeug und dem Werkstück mindestens ein sich auf dem Werkstück abwälzendes Wälzelement angeordnet werden, das sich im Bereich der lokalen Umformzone des Werkstücks rollend zwischen Umformwerkzeug und Werkstück abwälzt. Hierbei ist das Wälzelement selbst drehbar relativ zu dem Umformwerkzeug an dem Umformwerkzeug gehaltert und kann sich bei einer zum Beispiel linearen Verschiebung des sich nicht drehenden Umformwerkzeuges relativ zu dem Umformwerkzeug verdrehen. Diese Verdrehung des Wälzelementes erfolgt wiederum aufgrund des mechanischen Kontaktes des Wälzelementes mit der Werkstück im Bereich der Umformzone, so dass auch hierbei keine Relativgeschwindigkeit des Wälzelementes relativ zu dem Werkstück auftritt. Die Form und die Abmessungen des Wälzelementes können dabei in weiten Grenzen variiert werden, so dass bei sehr feinen formändernden Strukturen sehr feine Wälzelemente zum Einsatz kommen können, bei gröberen Strukturen hingegen auch größere Wälzelemente eingesetzt werden können. Auch kann im Laufe der Formänderung des Werkstücks mit wechselnden, jeweils an die herzustellenden Formen angepassten Wälzelementen gearbeitet werden.
Hierbei kann durch Zuführung von Schmiermitteln sowohl der Kontaktbereich zwischen Wälzelement und Werkstück als auch der Kontaktbereich zwischen Wälzelement und Umformwerkzeug geschmiert und damit die Lebensdauer von Wälzelement und Umformwerkzeug signifikant erhöht werden. Denkbar ist es hierbei, dass ein Schmiermittel als fluidisches Medium durch das Innere des Umformwerkzeugs bis in den Bereich der Lagerung des Wälzelementes zugeführt wird. So kann beispielsweise das Umformwerkzeug über eine Längsbohrung im Inneren verfügen, durch die Schmiermittel unter Druck bis in den Bereich des Wälzelementes gefördert werden kann und damit etwa wie bei einem Kugelschreiber mit der Tinte das Wälzelement selbst schmierend ausgeführt wird.
In einer weiteren denkbaren Ausgestaltung ist es möglich, dass der Bereich der Umformzone des Werkstücks kurz vor und/oder während der Formänderung lokal erwärmt wird. Durch eine lokale Erwärmung kann das Material des Werkstücks in einen leichter umformbaren Zustand gebracht werden so dass sich beispielsweise auch schwer umformbare Werkstoffe Form ändernd umformen lassen oder besondere Eigenschaften des Werkstoffs aufgrund der thermischen Behandlung nach der Formänderung einstellen lassen. Durch die nur lokale Erwärmung genau in dem Bereich, in dem gerade umgeformt wird oder unmittelbar danach umgeformt werden soll, sind nur sehr geringe Wärmemengen in Relation zur simultanen Temperierung des gesamten Werkstücks erforderlich, wodurch etwa das Umformwerkzeug auch nur geringer mit Abwärme belastet wird. Durch die lokale Erwärmung des Werkstücks kann neben einer Erleichterung der Umformung auch eine gezielte Beeinflussung von Materialeigenschaften der formgeänderten Bereiche des Werkstücks erzielt werden, etwa eine Verringerung der Rückfederung oder auch eine lokale Aufhärtung etc.
Weiterhin ist es denkbar, dass das Umformwerkzeug relativ zu der Umformzone eine oszillierende Bewegung, vorzugsweise eine oszillierende Bewegung in Richtung der Längserstreckung des Umformwerkzeugs ausführt. Durch eine oszillierende Bewegung kann neben einer Verbesserung der eigentlichen Formänderung auch dafür gesorgt werden, dass zugeführtes Schmiermittel leichter in den Bereich zwischen Umformwerkzeug und Umformzone des Werkstücks gelangt und dort die Reibung bei der Umformung weiter mindert.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur inkrementellen Formänderung von dünnwandigen Werkstücken, insbesondere dünnwandigen Blechwerkstücken, mit mindestens einem Umformwerkzeug, das das dünnwandige Werkstück lokal plastisch umformt. Ein solche gattungsgemäße Vorrichtung wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass das Umformwerkzeug derart ausgebildet und/oder derart relativ zu dem Werkstück beweglich angeordnet ist, dass das Umformwerkzeug bei der inkrementellen Formänderung in der lokalen Umformzone des Werkstücks eine abwälzende Relativrotation auf dem Werkstück ausführt. Die besonderen Vorteile einer solchen Vorrichtung sind schon vorstehend zu dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert worden, hierauf wird ausdrücklich Bezug genommen.
Dabei ist es in einer Weiterbildung auch denkbar, dass das Umformwerkzeug rotationssymmetrisch geformt und derart drehbeweglich gelagert ist, dass das Umformwerkzeug sich bei der inkrementellen Formänderung in der lokalen Umformzone des Werkstücks rollend auf dem Werkstück abwälzt. Hierfür wird das z. B. in der Antriebsspindel einer CNC-Maschine eingespannte Umformwerkzeug in einen frei drehbaren Zustand in der Antriebsspindel gebracht und an das formzuändernde Werkstück angestellt. Berührt das Umformwerkzeug nun das Werkstück in der lokalen Umformzone zumindest mit einer Komponente tangential, so wird bei einer Vorschubbewegung des Umformwerkzeugs etwa parallel zur Ebene des Werkstücks im mechanischen Kontaktpunkt zwischen Umformwerkzeug und Umformzone ein Drehmoment auf das frei drehbare Umformwerkzeug ausgeübt und das Umformwerkzeug wird sich rein abwälzend auf dem Werkstück drehen. Damit ist aber die Relativgeschwindigkeit des Berührungspunktes des Umformwerkzeugs mit dem Werkstück gleich Null oder nahe Null, wodurch negative Einflüsse der Reibung auf die Umformung bis hin zum lokalen Reißen des Werkstücks in der Umformzone vermieden werden können.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung kann vorsehen, dass zwischen dem Umformwerkzeug und dem Werkstück mindestens ein sich auf dem Werkstück abwälzendes Wälzelement angeordnet ist, das sich im Bereich der lokalen Umformzone des Werkstücks rollend zwischen Umformwerkzeug und Werkstück abwälzt. Ein solches Wälzelement, etwa ausgebildet als ein kugelartiges, frei drehbar rotierbares Wälzelement oder als ein scheiben- oder walzenartiges, um eine feste Drehachse rotierbares, vorzugsweise ein zylinderförmiges oder tonnenförmiges Wälzelement, entkoppelt die vorstehend beschriebene abwälzende Bewegung von dem Umformwerkzeug selbst, wodurch die Lagerung des Umformwerkzeugs vereinfacht werden kann. Zudem verbessert das Vorsehen eines separaten Wälzelementes die kinematische Erzeugung der Abwälzbewegung. Wird das Wälzelement als ein kugelartiges, frei drehbar rotierbares Wälzelement ausgebildet, das in einer pfannenartigen Lagerung an dem Umformwerkzeug aufgenommen und gehaltert ist, so erlaubt die freie Drehbarkeit des kugelartigen Wälzelementes eine besonders leichtgängige Abwälzbewegung völlig unabhängig von der jeweiligen Bewegungsrichtung des Umformwerkzeuges, da das kugelartig Wälzelement gleichartig in alle Richtungen frei zu dem Umformwerkzeug rotieren kann. Bei der Ausbildung des Wälzelementes als ein scheiben- oder walzenartiges, um eine feste Drehachse rotierbares Wälzelement muss die Bewegungsrichtung des Umformwerkzeuges an die Drehachse des Wälzelementes angepasst werden, etwa indem das Umformwerkzeug selbst eine gesteuerte Rotation um eine zu der Ebene des Werkstücks senkrechte Achse ausführt.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Umformwerkzeug eine stichelartige Grundform aufweist und an einem Ende maschinenseitig gelagert und an dem anderen Ende das mindestens eine drehbar gehalterte Wälzelement aufweist. Dadurch kann das Umformwerkzeug wie auch ein bekanntes starres Umformwerkzeug für die inkrementelle Umformung leicht in eine Werkzeugaufnahme, z. B. eine Spindel einer CNC-Maschine eingesetzt werden.
In einer ersten denkbaren Ausgestaltung kann das sich auf dem Werkstück abwälzende Wälzelement formschlüssig drehbar an dem Umformwerkzeug gehaltert sein, z. B. in einen vertieft an dem Umformwerkzeug angeordneten Lagersitz eingesetzt sein. Bei einem kugelartigen Wälzelement kann dies etwa dadurch realisiert werden, dass das kugelartige Wälzelement etwas tiefer als dem Kugelradius entsprechend in einen kugelpfannenartigen, das kugelartige Wälzelement leicht übergreifenden Lagersitz eingepresst wird, in dem das kugelartige Wälzelement nach dem Einpressen leichtbeweglich verdrehbar gehaltert ist. Auch ist eine zweiteilige Ausführung des Lagersitzes denkbar, wobei die zwei Teile des Lagersitzes wie beschrieben das kugelartige Wälzelement zwischen sich leichtbeweglich verdrehbar aufnehmen.
Hierbei ist es in weiterer Ausgestaltung auch denkbar, dass ein fluidisches Druckmedium das formschlüssig drehbar gehalterte Wälzelement in Richtung auf die Umformzone des Werkstücks hin drückt. Ein derartiges fluidisches Druckmedium kann z. B. über eine Längsbohrung im Inneren des Umformwerkzeugs bis in den Bereich des Wälzelementes geführt werden und dort die Oberfläche des Wälzelementes beaufschlagen. Ein solches fluidisches Druckmedium kann z. B. auch als Schmiermittel genutzt werden, was durch die Rotation des Wälzelementes aus dem Inneren des Umformwerkzeuges heraus in den Bereich der Umformzone gefördert wird und die Reibung zwischen Wälzelement und Werkstück weiter günstig beeinflusst.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung kann das sich auf dem Werkstück abwälzende Wälzelement kraftschlüssig drehbar an dem Umformwerkzeug gehaltert sein. Hierbei wird das Wälzelement in einer derartigen Weise kraftschlüssig an dem Umformwerkzeug gehaltert, dass die Umformkräfte das Wälzelement nicht aus einer z. B. offenen pfannenartigen Lagerung für das Wälzelement heraus drücken können und dadurch das Wälzelement bei der Formänderung immer sicher an dem Umformwerkzeug positioniert bleibt, aber rotatorisch frei beweglich zu dem Unformwerkzeug ist.
In einer ersten denkbaren Realisierung einer derartigen kraftschlüssigen Halterung des Wälzelementes kann ein Unterdruck das kraftschlüssig drehbar gehalterte Wälzelement gegen einen Lagerbereich an dem Umformwerkzeug saugen und damit relativ zu dem Umformwerkzeug positionieren. Der Unterdruck kann hierbei z. B. über eine Längsbohrung in dem Umformwerkzeug bis in den Lagerbereich an dem Umformwerkzeug geleitet werden und das Wälzelement gegen den Lagerbereich saugen. Hierdurch kann das Wälzelement z. B. vor einem Kontakt mit dem Werkstück bei vorherigen Positionierungsoperationen des Umformwerkzeugs sicher an dem Unformwerkzeug festgelegt werden. Nach Herstellung des Kontaktes mit dem Werkstück sorgt der Unterdruck dann dafür, dass sich das Wälzelement zwar in seinem Lagerbereich drehen, aber nicht aus diesem heraus lösen kann.
In einer anderen denkbaren Realisierung kann eine derartige kraftschlüssige Halterung des Wälzelementes durch eine Magnetwirkung erfolgen, die das kraftschlüssig an dem Umformwerkzeug drehbar gehalterte Wälzelement gegen einen Lagerbereich an dem Umformwerkzeug presst und damit relativ zu dem Umformwerkzeug positioniert. Hierfür muss das Wälzelement magnetisch ausgebildet und etwa durch ein an dem Umformwerkzeug aufgebautes magnetisches Feld angezogen werden können.
Von besonderem Vorteil an der kraftschlüssigen Halterung des Wälzelementes ist, dass das kraftschlüssig an dem Umformwerkzeug drehbar gehalterte Wälzelement einen radial größeren Durchmesser als der stichelartig ausgebildete Abschnitt des Umformwerkzeugs aufweisen kann. Dies wird dadurch ermöglicht, dass im Gegensatz zur formschlüssigen Halterung das Wälzelement nicht mehr als die Hälfte übergriffen werden muss, sondern sich der Lagerbereich nur um weniger als die Hälfte der Abmessungen des Wälzelementes um das Wälzelement herum erstrecken muss, um das Wälzelement sicher aufzunehmen. Hierdurch ist es in weiterer Ausgestaltung möglich, dass das mit radial größerem Durchmesser als der stichelartig ausgebildete Abschnitt des Umformwerkzeugs ausgebildete Wälzelement auch enge und/oder tiefe umzuformende Bereiche des Werkstücks ohne Kollisionen des Werkstücks mit dem stichelartig ausgebildeten Abschnitt des Umformwerkzeugs umformen kann. Gerade bei tiefen Formänderungen oder kleinen herzustellenden Radien kann es bei formschlüssig drehbar an dem Umformwerkzeug gehaltertem Wälzelement dazu kommen, dass das Umformwerkzeug mit seinem stichelartigen Abschnitt mit Konturen des formgeänderten Werkstücks kommt und daher die gewünschten Formänderungen nicht oder nicht ausreichend hergestellt werden können. Ist der Durchmesser des z. B. kugeligen Wälzelementes aber größer als der Durchmesser des stichelartig ausgebildeten Abschnitts des Umformwerkzeugs, so kommen keine derartigen Kollisionen mehr vor.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das drehbar gehalterte Wälzelement aus einem gegenüber dem Werkstoff des Werkstücks härteren Werkstoff besteht, z. B. aus einem Stahlwerkstoff oder einem keramischen Werkstoff oder einem hartmetallhaltigem Werkstoff oder einem diamantartigen Werkstoff. Derartige Materialien werden auch in großen Stückzahlen für andere Zwecke hergestellt und sind daher in vielen Abmessungen und Eigenschaften als Handelsware erhältlich, so dass z. B. die Härte des Werkstoffs des drehbar gehalterten Wälzelements an die jeweilige Formänderung und/oder das Material des Werkstücks angepasst werden kann.
Weiterhin ist es denkbar, dass das drehbar gehalterte Wälzelement eine Beschichtung, insbesondere eine Hartbeschichtung zur Verschleißreduzierung aufweist. So kann z. B. ein aus einem zähen Stahlmaterial hergestelltes kugelförmiges Wälzelement mit einer Hartschicht beschichtet werden, wodurch die Haltbarkeit für die Formänderung deutlich erhöht werden kann. Auch ist es dabei denkbar, dass die Beschichtung des Wälzelementes auf das Material und/oder eine Beschichtung des Werkstücks abgestimmt wird oder einer Beschichtung des Werkstücks entspricht.
Damit kann z. B. verhindert werden, dass Oberflächen oder vorhandene Beschichtungen des Werkstückes durch das Material des Wälzelementes beeinträchtigt werden.
Weiterhin ist es denkbar, dass im Bereich der jeweiligen lokalen Umformzone ein Gegenhalterelement beweglich angeordnet ist, dass im Wesentlichen synchron zu dem Umformwerkzeug bewegbar ist und das Werkstück im Bereich der jeweiligen lokalen Umformzone gegenüber der Kraftwirkung des Umformwerkzeugs abstützt. Hierdurch wird ein Höchstmaß an Flexibilität bei der Erzeugung der gewünschten Formänderungen erreicht, ohne dass die Gefahr von Rissen des Werkstücks durch unzureichende Abstützung in der Umformzone entsteht.
In anderer Ausgestaltung ist es aber auch denkbar, dass auf der gegenüberliegend zum Bewegungsbereich des Umformwerkzeugs angeordneten Fläche des Werkstücks zumindest abschnittsweise ein Gegenhalterelement angeordnet ist, das das Werkstück passiv großflächiger gegenüber der Kraftwirkung des Umformwerkzeugs abstützt. Ein solches festes und großflächiger wirkendes Gegenhalterelement kann durch gängige Herstellungsverfahren (z. B. 3D-gedruckt, gefräst, gelasert, geschnitten) kostengünstig hergestellt werden.
In weiterer Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass eine Erwärmungseinrichtung vorgesehen ist, die den Bereich der Umformzone des Werkstücks kurz vor und/oder während der Formänderung lokal erwärmt. Durch eine lokale Erwärmung kann das Material des Werkstücks in einen leichter umformbaren Zustand gebracht werden so dass sich beispielsweise auch schwer umformbare Werkstoffe Form ändernd umformen lassen oder besondere Eigenschaften des Werkstoffs aufgrund der thermischen Behandlung nach der Formänderung einstellen lassen.
In einer denkbaren Weiterbildung kann die Erwärmungseinrichtung eine konduktive Erwärmungseinrichtung aufweisen, die einen Strom von dem Umformwerkzeug in die Umformzone des Werkstücks leitet. Umformwerkzeug und Werkstück sind hierbei an eine Stromquelle (ähnlich zu einer Schweißstromquelle) angeschlossen und bilden Anode und Kathode. Durch den Kontakt zwischen Werkstück und Umformwerkzeug während der Formänderung wird der Stromkreis geschlossen und es kommt zu einer Stromdurchflutung der Umformzone. In Verbindung mit der endlichen Leitfähigkeit des Werkstückes kommt es in Folge der Stromdurchflutung zu gewünschten Erwärmung des Werkstückes im Bereich der Umformzone. Vorteil der Umformung bei erhöhter Temperatur liegt in geringen Umformkräften und in einer geringen Rückfederungsneigung, auch kann die Erwärmung zur gezielten Einstellung von Bauteileigenschaften (Härte, Festigkeit, etc.) genutzt werden. Durch die Anpassung der Stromstärke im Prozessablauf ist auch eine örtliche Gradierung des Temperaturprofils möglich.
In einer anderen Weiterbildung kann die Erwärmungseinrichtung eine externe Wärmequelle aufweisen, vorzugsweise eine Laserlichtquelle oder eine Flamme oder dgl., die im Wesentlichen vorauseilend zu dem Umformwerkzeug lokal Wärme in das Werkstück einbringt. Mit geringem zeitlichen Vorlauf wird die Bahnkontur des Umformwerkzeugs von einem Laserstrahl abgefahren, der zu einer lokalen Erwärmung des Werkstücks führt. Im Unterschied zur konduktiven Erwärmung können hierbei auch Werkstückbereiche erwärmt werden, die keinen direkten Kontakt mit dem Umformwerkzeug haben werden, so kann beispielsweise ein gezieltes Nachfließen des Blechwerkstoffes aus bestimmten Bereichen herbeigeführt werden. Durch die Anpassung der Strahlleistung im Prozessablauf ist auch eine örtliche Gradierung des Temperaturprofils ermöglicht werden.
Weiterhin ist es denkbar, dass eine oszillierende Bewegungseinrichtung für das Umformwerkzeug vorgesehen ist, die das Umformwerkzeug und/oder das Wälzelement relativ zu der Umformzone in eine oszillierende Bewegung, vorzugsweise eine oszillierende Bewegung in Richtung der Längserstreckung des Umformwerkzeugs versetzt. Insbesondere bei Kontakt der Unterseite des Umformwerkzeugs mit dem Werkstück ist eine Oszillation geeignet, um Reibungskräfte in der Umformzone zu reduzieren. Diese Reduzierung der Reibung geht aus zwei Mechanismen zurück: zum einen fördert der sich in Folge der Oszillation immer wieder einstellende Spalt zwischen Umformwerkzeug und Werkstück das Nachfließen von Schmiermittel und reduziert damit den Reibungskoeffizienten, zum anderen erfolgt ein Teil des Vorschubs des Umformwerkzeugs entlang der Bahnkontur ohne Kontakt zwischen Umformwerkzeug und Werkstück.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:
1 – Beispiel einer inkrementellen Umformung eines dünnwandigen Blechteils mittels stichelartig ausgebildetem feststehenden Umformwerkzeug gemäß Stand der Technik,
2 – Explosionszeichnung der Halteeinrichtungen zur Fixierung des umzuformenden dünnwandigen Werkstücks bei der inkrementellen Formänderung gemäß Stand der Technik,
3 – Formänderung eines dünnwandigen Werkstücks mittels inkrementeller Formänderung unter Verwendung eines mitlaufenden Gegenhalters gemäß Stand der Technik,
4 – eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs mit formschlüssig an dem Umformwerkzeug aufgenommenem Wälzelement und innenliegender Schmiermittelversorgung,
5a – eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs mit kraftschlüssig mittels Unterdruck an dem Umformwerkzeug an einer umlaufenden Kante festgelegten Wälzelement,
5b – eine Variante des Umformwerkzeugs gemäß 5a an einer geformten Aufnahme festgelegten Wälzelement,
6 – Darstellung der möglichen Kollisionssituation bei der Formänderung einer mit einem kleinen Radius ausgebildeten tiefen Kavität mit einem kraftschlüssig an dem Umformwerkzeug festgelegten Wälzelement,
7 – Darstellung der möglichen Kollisionssituation bei der Formänderung einer mit einem kleinen Radius ausgebildeten tiefen Kavität mit einem formschlüssig an dem Umformwerkzeug festgelegten Wälzelement,
8 – eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs mit an der Werkzeugaufnahme drehbar gelagertem und sich an dem Werkstück abwälzenden Umformwerkzeug,
9 – Darstellung beispielhafter Formänderungen an einem dünnwandigen Werkstück als stapelbares Blechbauteil für Bipolarplatten und Separatoren für Brennstoffzellen und Elektrolyseure oder Platten eines Plattenwärmetauschers.
In der 4 ist eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Umformwerkzeugs 1 mit einem beweglich an einem Endbereich des Unformwerkzeugs 1 gelagerten Wälzelement 11 zu erkennen. Das Wälzelement ist hier als kugelförmiges Element, z. B. in Form einer Stahlkugel oder einer Hartmetallkugel ausgebildet und wird formschlüssig in einem endseitig an dem stichelartigen Abschnitt 14 des Umformwerkzeugs 1 angeordneten und ebenfalls kugelig ausgebildeten Lagerbereich 15 aufgenommen. Diese Aufnahme kann z. B. durch Einpressen des kugeligen Wälzelementes 11 in den Lagerbereich 15 erfolgen, wobei der offene Endbereich des kugelig ausgebildeten Lagerbereichs 15 das Wälzelement 11 ein wenig mehr als zur Hälfte in sich aufnimmt und dadurch ein Herausfallen des Wälzelementes 11 aus dem Lagerbereich 15 verhindert. Alternativ könnte der Lagerbereich 15 auch zweiteilig ausgebildet sein.
Gleichwohl ist das kugelige Wälzelement 11 frei in alle Richtungen drehbar in dem Lagerbereich 15 gehaltert. Wird nun das Wälzelement 11 durch Zustellung in Richtung 17 in mechanischen Kontakt mit dem nur angedeuteten dünnwandigen Werkstück 2 gebracht, so steht das Wälzelement 11 auf der Oberfläche des dünnwandigen Werkstücks 2 im Bereich der Umformzone 12 auf oder dringt ein Stück weit in das dünnwandige Werkstück 2 ein und ändert damit lokal und inkrementell die Form des dünnwandigen Werkstücks 2. Wird nun das Umformwerkzeug 1 z. B. parallel zur Oberfläche des dünnwandigen Werkstücks 2 in Vorschubrichtung 25 bewegt, so ergibt sich aufgrund des mechanischen Kontaktes des Wälzelementes 11 mit dem dünnwandigen Werkstück 2 und der freien Drehbarkeit des Wälzelementes 11 eine Rotationsbewegung des Wälzelementes 11 entlang der Rotationsachse 21. Dabei besteht eine mechanische Kopplung zwischen Vorschubbewegung entlang der Vorschubrichtung 25 und der Drehbewegung entlang der Abwälzrichtung 21, die zu einer rein abwälzenden Bewegung des Wälzelementes 11 auf der Oberfläche des Werkstücks 2 führt. Bei dieser abwälzenden Bewegung des Wälzelementes 11 ist im Bereich der Umformzone 12 die Relativgeschwindigkeit des Wälzelementes 11 relativ zu dem dünnwandigen Werkstück 2 gleich Null oder nahezu gleich Null. Hierdurch treten aber keine dynamischen Reibungseffekte auf, die zu unzulässigen Belastungen des Materials des dünnwandigen Werkstücks 2 und zu Rissen in dem Material des dünnwandigen Werkstücks 2 führen können. Dabei rollt das Wälzelement 11 bei mechanischem Kontakt mit dem Werkstück 2 relativ zur z. B. linearen Vorschubbewegung 25 des Umformwerkzeugs 1 ab, sodass geringere Reibungs- sowie Prozesskräfte resultieren. Folglich wird zudem der Werkzeugverschleiß minimiert und ein Werkzeugbruch vermieden.
Eine weitere Verbesserung der Formänderung des Werkstücks 2 lässt sich dadurch erreichen, dass der Umformzone Schmiermittel 13 zugeführt wird, was die Reibung zwischen Wälzelement 11 und Werkstück 2 in der Umformzone 12 weiter vermindert. Analog zu dem Aufbau einer Kugelschreibermine kann der Schmierstoff wie die Tintenpaste der Kugelschreibermine durch das Innere des Umformwerkzeugs auf das Wälzelement aufgebracht werden, indem in dem Umformwerkzeug 1 eine Längsbohrung 23 bis zum Wälzelement 11 verläuft, in die ein Schmiermittel 23 eingepresst wird. Wälzt sich nun das Wälzelement auf der Umformzone 12 ab, so wird im gegenüberliegenden Bereich des Wälzelementes im Inneren des Umformwerkzeugs 1 Schmiermittels 23 von der Kugeloberfläche des Wälzelementes mitgeschleppt und auch in den Spalt zwischen Wälzelement 11 und Werkstück 2 im Bereich der Umformzone 12 gefördert. Hierbei ist von Vorteil, dass der Schmierstoff 23 auf diese Weise nur lokal in die Umformzone 12 eingebracht wird und keine flächige Benetzung des Werkstücks 2 mit einem Schmierstoff 23 erfolgen muss.
Als weiterer Ansatz zur Verbesserung des Umformwerkzeugs kann eine Konstruktion aus einem hydrostatisch gelagerten, kugelförmigen Wälzelement 11 ohne Schmiermittel verwendet werden. Dabei wird das kugelförmige Wälzelement 11 über einen Unterdruck p an das vordere Ende des stichelartigen Abschnitts 14 des Umformwerkzeugs 1 gesaugt und liegt punktuell (5a) oder flächig (5b) in einer kugelpfannenartigen Lagerbereich 16 auf. Hierzu befinden sich innerhalb des stichelartigen Abschnitts 14 eine Längsbohrung 23 sowie ein mit der Längsbohrung verbundener Anschluss 26 zur Verbindung mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe, die den Unterdruck erzeugt. Dabei muss der Unterdruck p höhere Ansaugkräfte erzeugen als die auftretenden Querkräfte während der Formänderung mit dem Umformwerkzeug 1. Durch die Auflage an der Kante 16 bzw. dem kugelpfannenartigen Lagerbereich 16 ist das kugelförmige Wälzelement 11 wie schon zur 4 beschrieben drehbar an dem Umformwerkzeug 1 gelagert.
Einhergehend mit dieser Weiterentwicklung des Umformwerkzeugs 1 entsteht der Vorteil, dass hierbei größere Umschlingungswinkel des Werkstücks 2 im Bereich der Umformzone 12 realisiert werden können. Dies bedeutet, dass das Wälzelement 11 einen größeren Durchmesser aufweisen kann als der stichelartige Abschnitt 14 des Umformwerkzeugs und das Wälzelement 11 von oben betrachtet seitlich weiter vorsteht als der stichelartige Abschnitt 14 (6). Dadurch kann verhindert werden, dass das Werkstück 2 z. B. bei der Bearbeitung von vertieften Strukturen 22 den stichelartigen Abschnitt 14 berührt (6 bzw. 7) und hierdurch, wie in 7 erkennbar Kollisionen 24 auslöst. Somit lassen sich noch tiefere Strukturen bzw. kleinere Radien/Winkel an Bauteilflanken herstellen. Darauf basierend können noch kleinere Kugeldurchmesser für das Wälzelement 11 eingesetzt werden, die bei feineren Strukturen 22 notwendig sind. Für größere Umformung ist dementsprechend ein größerer Kugeldurchmesser für das Wälzelement 11 erforderlich.
Die vorteilhafte Wirkung der abwälzenden Bewegung des frei rotierbaren Wälzelementes 11 kann zumindest begrenzt auch mit einem herkömmlichen stichelartig ausgebildeten Umformwerkzeug 1 gemäß dem Stand der Technik erreicht werden, wenn dieses Umformwerkzeug 1 frei drehbar um die Drehachse 19 z. B. über eine Kugellagerung 18 in der Werkzeugaufnahme 8 gelagert wird, wie dies in 8 erkennbar ist. Dies führt insbesondere bei seitlichem Kontakt des kugelförmigen Endes 9 des Umformwerkzeugs 1 mit dem Werkstück 2 in Folge des Abrollens des kugelförmigen Endes 9 des Umformwerkzeugs 1 auf der Oberfläche des Werkstücks 2 ebenfalls zu der schon vorstehend beschriebenen Reduzierung der Relativgeschwindigkeit zwischen kugelförmigem Ende 9 des Umformwerkzeugs 1 und Werkstück 2 und damit zu einer reduzierten Reibkraft. Eine geringe mechanische Belastung des des Umformwerkzeugs 1 sowie eine geringe Versagensneigung des Werkstücks 2 in Folge der geringen reibungsbedingten Zugspannungen, die insbesondere bei dünnen Werkstücken ansonsten zu Rissen führen können, sind die positive Folge dieses konstruktiven Aufbaus des Umformwerkzeugs.
In der 9 ist eine Darstellung beispielhafter Formänderungen an einem dünnwandigen Werkstück als stapelbares Blechbauteil für Bipolarplatten und Separatoren für Brennstoffzellen und Elektrolyseure in einer Draufsicht und in einer geschnittenen und vergrößerten Seitenansicht zu erkennen. Die Fluidleitungsstrukturen 20 derartiger Platten bzw. Folien werden simulationsgesteuert ermittelt, müssen jedoch zum Testen und zur Optimierung neuer Brennstoffzellenlayouts anhand von Modellen verifiziert und überprüft werden. Die hierfür mit den entsprechenden Fluidleitungsstrukturen 20 auszustattenden Bleche 2 sind in der Regel sehr dünn, ihre Dicke liegt eher schon im Bereich von typischen Folienstärken. Viele solcher geformter Platten 10 bzw. Folien werden für die Herstellung einer Brennstoffzelle in einer gestapelten Anordnung benötigt, wobei die Genauigkeit für die Herstellung der Fluidleitungsstrukturen 20 recht hoch angesiedelt werden muss. Bei der Herstellung solcher Testmuster für Brennstoffzellen müssen daher mit hohem Aufwand einzelner oder relativ wenige Platten 10 aus folienartigem Material 2 hergestellt werden, wobei die Anpassung der Fluidleitungsstrukturen 20 einfach erfolgen soll.
Weitere nur beispielhaft genannte Anwendungsbereiche kann die Herstellung dünnwandiger umgeformter Werkstücke für Wärmetauscherplatten, für taktile Schilder, Profilschriften oder taktil erfassbare Orientierungshilfen sein. Zudem können nicht nur ebene dünnwandige Bauteile, sondern auch dreidimensional gekrümmte oder vorgeformte dünnwandige Bauteile entsprechend hergestellt werden. Derartige Werkstücke können vorzugsweise aus Metall, aber auch beispielsweise aus plastisch umformbaren Kunststoffen oder schwer verformbaren Werkstoffen bestehen.
Unter dünnwandigen Werkstücken sollen in diesem Zusammenhang bevorzugt insbesondere sehr dünnwandige plattenartige Werkstücke oder folienartige Werkstücke, wie etwa dünnwandige Bänder oder Bleche aus metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen, vorzugsweise in einem Dickenbereich kleiner gleich etwa 0,5 mm verstanden werden.
Bezugszeichenliste

1: Umformwerkzeug
2: umzuformendes Werkstück
3: Gegenpatrize
4: Aufnahme
5: unterer Rahmen
6: Gegenhalter
7: Niederhalter
8: Werkzeugaufnahme
9: kugelförmiges Element
10: umgeformtes Werkstück
11: Wälzelement
12: Umformzone
13: Schmiermittel
14: stichelartiger Abschnitt
15: Lagerbereich
16: Lagerbereich
17: Zustellrichtung
18: Drehlagerung
19: Abwälzrichtung
20: nutartige Formänderungen
21: Abwälzbewegung Wälzelement
22: umgeformte Strukturen
23: Längsbohrung
24: Kollisionspunkt
25: Vorschub Umformwerkzeug
26: Anschluss Vakuumpumpe

Claims

Verfahren zur inkrementellen Formänderung von dünnwandigen Werkstücken (2), insbesondere dünnwandigen Blechwerkstücken (2), bei dem mit mindestens einem Umformwerkzeug (1) das dünnwandige Werkstück (2) lokal plastisch umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (1) derart ausgebildet und/oder derart relativ zu dem Werkstück (2) beweglich angeordnet wird, dass bei der inkrementellen Formänderung in der lokalen Umformzone (12) des Werkstücks (2) ein Rollreibungskontakt durch eine sich abwälzende Relativrotation (19, 21) zwischen Umformwerkzeug (1) und Werkstück (2) entsteht.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abwälzende Relativrotation (19, 21) des Umformwerkzeuges (1) durch die relative Vorschubbewegung (25) des Umformwerkzeuges (1) gegenüber dem Werkstück (2) und den mechanischen Kontakt des Umformwerkzeuges (1) mit dem Werkstück (2) hervorgerufen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (1) rotationssymmetrisch geformt und derart drehbeweglich gelagert (18) wird, dass das Umformwerkzeug (1) sich bei der inkrementellen Formänderung in der lokalen Umformzone (12) des Werkstücks (2) rollend auf dem Werkstück (2) abwälzt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Umformwerkzeug (1) und dem Werkstück (2) mindestens ein sich auf dem Werkstück (2) abwälzendes Wälzelement (11) angeordnet wird, das sich im Bereich der lokalen Umformzone (12) des Werkstücks (2) rollend zwischen Umformwerkzeug (1) und Werkstück (2) abwälzt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen drehbar gehaltertem Wälzelement (11) und Umformwerkzeug (1) ein fluidisches Medium (13) eingebracht wird, das die Reibung zwischen Wälzelement (11) und Umformwerkzeug (1) und/oder Wälzelement (11) und Werkstück (2) reduziert.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Medium (13) durch das Innere (23) des Umformwerkzeugs (1) bis in den Bereich der Lagerung (15) des Wälzelementes (11) zugeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Umformzone (12) des Werkstücks (2) kurz vor und/oder während der Formänderung lokal erwärmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (1) relativ zu der Umformzone (12) eine oszillierende Bewegung, vorzugsweise eine oszillierende Bewegung in Richtung der Längserstreckung des Umformwerkzeugs (1) ausführt.
Vorrichtung zur inkrementellen Formänderung von dünnwandigen Werkstücken (2), insbesondere dünnwandigen Blechwerkstücken (2), mit mindestens einem Umformwerkzeug (1), das das dünnwandige Werkstück (2) lokal plastisch umformt, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (1) derart ausgebildet und/oder derart relativ zu dem Werkstück (2) beweglich angeordnet ist, dass das Umformwerkzeug (1) bei der inkrementellen Formänderung in der lokalen Umformzone (12) des Werkstücks (2) eine abwälzende Relativrotation (19, 21) auf dem Werkstück (2) ausführt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (1) rotationssymmetrisch geformt und derart drehbeweglich (18) gelagert ist, dass das Umformwerkzeug (1) sich bei der inkrementellen Formänderung in der lokalen Umformzone (12) des Werkstücks (2) rollend auf dem Werkstück (2) abwälzt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Umformwerkzeug (1) und dem Werkstück (2) mindestens ein sich auf dem Werkstück (2) abwälzendes Wälzelement (11) angeordnet ist, das sich im Bereich der lokalen Umformzone (12) des Werkstücks (2) rollend zwischen Umformwerkzeug (1) und Werkstück (2) abwälzt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das sich auf dem Werkstück (2) abwälzende Wälzelement (11) ein kugelartiges, frei drehbar rotierbares Wälzelement (11) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das sich auf dem Werkstück (2) abwälzende Wälzelement (11) ein scheiben- oder walzenartiges, um eine feste Drehachse rotierbares, vorzugsweise ein zylinderförmiges oder tonnenförmiges Wälzelement (11) ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (1) eine stichelartige Grundform (14) aufweist und an einem Ende maschinenseitig gelagert und an dem anderen Ende (15, 16) das mindestens eine drehbar gehalterte Wälzelement (11) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das sich auf dem Werkstück (2) abwälzende Wälzelement (11) formschlüssig drehbar an dem Umformwerkzeug (1) gehaltert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das formschlüssig drehbar gehalterte Wälzelement (11) in einem vertieft an dem Umformwerkzeug (1) angeordneten Lagersitz (15) gehaltert ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein fluidisches Druckmedium (13) das formschlüssig drehbar gehalterte Wälzelement (11) in Richtung auf die Umformzone (11) des Werkstücks (2) hin drückt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das sich auf dem Werkstück (2) abwälzende Wälzelement (11) kraftschlüssig drehbar an dem Umformwerkzeug (1) gehaltert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterdruck (p) das kraftschlüssig drehbar gehalterte Wälzelement (11) gegen einen Lagerbereich (16) an dem Umformwerkzeug (1) saugt und damit relativ zu dem Umformwerkzeug (1) positioniert.
Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Magnetwirkung das kraftschlüssig an dem Umformwerkzeug (1) drehbar gehalterte Wälzelement (11) gegen einen Lagerbereich (16) an dem Umformwerkzeug (1) presst und damit relativ zu dem Umformwerkzeug (1) positioniert.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das kraftschlüssig an dem Umformwerkzeug (1) drehbar gehalterte Wälzelement (11) einen radial größeren Durchmesser als der stichelartig ausgebildete Abschnitt (14) des Umformwerkzeugs (1) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das mit radial größerem Durchmesser als der stichelartig ausgebildete Abschnitt (14) des Umformwerkzeugs (1) ausgebildete Wälzelement (11) auch enge und/oder tiefe umzuformende Bereiche (22) des Werkstücks (2) ohne Kollisionen des Werkstücks (2) mit dem stichelartig ausgebildeten Abschnitt (14) des Umformwerkzeugs (1) umformt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbar gehalterte Wälzelement (11) aus einem gegenüber dem Werkstoff des Werkstücks (2) härteren Werkstoff besteht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbar gehalterte Wälzelement (11) aus einem Stahlwerkstoff oder einem keramischen Werkstoff oder einem hartmetallhaltigem Werkstoff oder einem diamantartigen Werkstoff besteht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des Werkstoffs des drehbar gehalterten Wälzelements (11) an die jeweilige Formänderung und/oder das Material des Werkstücks (2) anpassbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbar gehalterte Wälzelement (11) eine Beschichtung, insbesondere eine Hartbeschichtung zur Verschleißreduzierung aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Wälzelementes (11) auf das Material und/oder eine Beschichtung des Werkstücks (2) abgestimmt ist oder einer Beschichtung des Werkstücks (2) entspricht.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der jeweiligen lokalen Umformzone (12) ein Gegenhalterelement (6) beweglich angeordnet ist, dass im Wesentlichen synchron zu dem Umformwerkzeug (1) bewegbar ist und das Werkstück (2) im Bereich der jeweiligen lokalen Umformzone (12) gegenüber der Kraftwirkung des Umformwerkzeugs (1) abstützt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass auf der gegenüberliegend zum Bewegungsbereich des Umformwerkzeugs (1) angeordneten Fläche des Werkstücks (2) zumindest abschnittsweise ein Gegenhalterelement (3) angeordnet ist, das das Werkstück (2) passiv großflächiger gegenüber der Kraftwirkung des Umformwerkzeugs (1) abstützt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erwärmungseinrichtung vorgesehen ist, die den Bereich der Umformzone (12) des Werkstücks (2) kurz vor und/oder während der Formänderung lokal erwärmt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung eine konduktive Erwärmungseinrichtung aufweist, die einen Strom von dem Umformwerkzeug (1) in die Umformzone (12) des Werkstücks (2) leitet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung eine externe Wärmequelle aufweist, vorzugsweise eine Laserlichtquelle oder eine Flamme oder dgl., die im Wesentlichen vorauseilend zu dem Umformwerkzeug (1) lokal Wärme in das Werkstück (2) einbringt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine oszillierende Bewegungseinrichtung für das Umformwerkzeug (1) vorgesehen ist, die das Umformwerkzeug (1) und/oder das Wälzelement (11) relativ zu der Umformzone (12) in eine oszillierende Bewegung, vorzugsweise eine oszillierende Bewegung in Richtung der Längserstreckung des Umformwerkzeugs (1) versetzt.