DE102016112734A1

DE102016112734A1 - Schwingungsunterstützte Freiformherstellung

Info

Publication number: DE102016112734A1
Application number: DE102016112734.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel E. Wilkosz; Vijitha Seraka KIRIDENA
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2017-02-02
Also published as: CN106391797A; US20190118239A1; US10195655B2; US20170028458A1; US11298740B2

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren zum Formen eines Werkstücks offenbart. Das System kann eine Befestigungsanordnung zum Aufnehmen eines Werkstücks, das gegenüberliegende erste und zweite Oberflächen aufweist, ein erstes und ein zweites Werkzeug und eine Schwingungsquelle, die konfiguriert ist, das erste Werkzeug und/oder das zweite Werkzeug in Schwingungen zu versetzen, enthalten. Das erste und das zweite Werkzeug können konfiguriert sein, sich entlang eines ersten und eines zweiten vorgegebenen Bewegungswegs zu bewegen, wenn das erste Werkzeug und/oder das zweite Werkzeug durch die Schwingungsquelle in Schwingungen versetzt wird, und können eine Kraft auf die erste und die zweite Oberfläche ausüben, um das Werkstück zu formen. Das Verfahren kann das In-Schwingungen-Versetzen eines Werkzeugs unter Verwendung einer Schwingungsquelle und das Bewegen des schwingenden Werkzeugs und eines weiteren Werkzeugs entlang eines ersten und eines zweiten Formungsweg, um das Werkstück zu formen, enthalten. Die Schwingungsquelle kann ein Ultraschallwandler sein und kann das Werkzeug mit einer Frequenz von wenigstens 1 kHz in Schwingungen versetzen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die schwingungsunterstützte Freiformherstellung z. B. von Blech.
HINTERGRUND
Die Formung von Blech wird im Allgemeinen unter Verwendung eines Stanzprozesses ausgeführt, bei dem entgegenwirkende Werkzeuge, die eine gewünschte Geometrie aufweisen, das Blech in eine gewünschte Form pressen. Das Stanzen kann ein sehr effizienter und kosteneffektiver Prozess für die Großserienfertigung sein. Für die Kleinserienfertigung oder die Prototypenentwicklung können die Kosten und die Energie, die erforderlich sind, um die Stanzwerkzeuge für jede Iteration des Entwurfs der Komponenten herzustellen, jedoch unerschwinglich hoch sein. Ein Blechformungsprozess, der kosteneffiziente Prototypen rechtzeitig herstellen kann, würde im hohen Grade vorteilhaft sein.
ZUSAMMENFASSUNG
In wenigstens einer Ausführungsform wird ein System zum Formen eines Werkstücks bereitgestellt. Das System kann eine Befestigungsanordnung zum Aufnehmen eines Werkstücks, das gegenüberliegende erste und zweite Oberflächen aufweist, ein erstes und ein zweites Werkzeug und eine Schwingungsquelle, die konfiguriert ist, das erste Werkzeug in Schwingungen zu versetzen, enthalten. Das erste und das zweite Werkzeug können konfiguriert sein, sich entlang eines ersten und eines zweiten vorgegebenen Bewegungswegs zu bewegen, wenn das erste Werkzeug durch die Schwingungsquelle in Schwingungen versetzt wird, und eine Kraft auf die erste und die zweite Oberfläche auszuüben, um das Werkstück zu formen.
In einer Ausführungsform sind das erste und das zweite Werkzeug konfiguriert, sich entlang des ersten und des zweiten vorgegebenen Weg zu bewegen und eine Kraft auf die erste und die zweite Oberfläche auszuüben, um das Werkstück zu formen, ohne die erste und die zweite Oberfläche zu durchdringen. Die Schwingungsquelle kann konfiguriert sein, das erste Werkzeug mit einer Frequenz von 5 bis 70 kHz in Schwingungen zu versetzen. Die Schwingungsquelle kann konfiguriert sein, das erste Werkzeug mit einer Amplitude von 1 bis 50 µm in Schwingungen zu versetzen.
In einer Ausführungsform kann die Schwingungsquelle konfiguriert sein, das erste Werkzeug in einer Richtung, die im Wesentlichen zur ersten Oberfläche parallel ist, in Schwingungen zu versetzen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Schwingungsquelle konfiguriert sein, das erste Werkzeug in einer Richtung, die im Wesentlichen zur ersten Oberfläche senkrecht ist, in Schwingungen zu versetzen. Das System kann einen Manipulator enthalten, der eine Werkzeughalterung enthält, die konfiguriert ist, das erste Werkzeug zu halten, wobei die Schwingungsquelle einen Wandler enthält, der an der Werkzeughalterung befestigt ist oder mit der Werkzeughalterung einteilig ist.
Der erste und der zweite vorgegebene Weg können komplementär sein, so dass ein Druck in einem lokalen Bereich des Werkstücks auf die erste und die zweite Oberfläche ausgeübt wird. In einer Ausführungsform ist die Schwingungsquelle eine erste Schwingungsquelle und umfasst das System ferner eine zweite Schwingungsquelle, die konfiguriert ist, das zweite Werkzeug in Schwingungen zu versetzen. Die erste und die zweite Schwingungsquelle können konfiguriert sein, das erste und das zweite Werkzeug mit der gleichen Frequenz in Schwingungen zu versetzen.
In wenigstens einer Ausführungsform wird ein System bereitgestellt, das eine Befestigungsvorrichtung zum Halten eines Werkstücks, ein erstes Werkzeug und eine Schwingungsquelle, die konfiguriert ist, das erste Werkzeug in Schwingungen zu versetzen, enthält. Das erste Werkzeug kann konfiguriert sein, sich entlang einer ersten Oberfläche des Werkstücks zu bewegen und eine Kraft auf das Werkstück gegen das zweite Werkzeug auszuüben, wenn das erste Werkzeug in Schwingungen versetzt ist, um das Werkstück zu formen.
Das System kann außerdem einen ersten Manipulator, der konfiguriert ist, das erste Werkzeug entlang mehrerer Achsen entlang der ersten Oberfläche des Werkstücks zu bewegen, und einen zweiten Manipulator, der konfiguriert ist, das zweite Werkzeug entlang mehrerer Achsen entlang einer zweiten Oberfläche des Werkstücks zu bewegen, enthalten. Das zweite Werkzeug kann eine Form enthalten, die eine Oberflächenkontur aufweist. Die Schwingungsquelle kann konfiguriert sein, das erste Werkzeug mit einer Frequenz von 5 bis 70 kHz und mit einer Amplitude von 1 bis 50 µm in Schwingungen zu versetzen. Das System kann einen Manipulator enthalten, der eine Werkzeughalterung enthält, die konfiguriert ist, das erste Werkzeug zu halten, wobei die Schwingungsquelle einen Wandler enthält, der an der Werkzeughalterung befestigt ist oder mit der Werkzeughalterung einteilig ist.
In wenigstens einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Formen eines Werkstücks, das gegenüberliegende erste und zweite Oberflächen enthält, bereitgestellt. Das Verfahren kann das Positionieren eines ersten und eines zweiten Werkzeugs, das In-Schwingungen-Versetzen des ersten Werkzeugs unter Verwendung einer Schwingungsquelle und das Bewegen des schwingenden ersten Werkzeugs und des zweiten Werkzeugs entlang eines ersten und eines zweiten Formungswegs entlang mehrerer Achsen, so dass das erste und das zweite Werkzeug mit der ersten und der zweiten Oberfläche in Kontakt gelangen, um das Werkstück zu formen, enthalten.
Das erste Werkzeug kann durch eine Werkzeughalterung gehalten sein und kann durch einen Wandler, der an der Werkzeughalterung befestigt ist oder mit der Werkzeughalterung einteilig ist, in Schwingungen versetzt werden. Das erste Werkzeug kann mit einer Frequenz von wenigstens 1 kHz in Schwingungen versetzt werden. Der erste und der zweite Formungsweg können komplementär sein, wobei in einem lokalen Bereich des Werkstücks ein Druck auf die erste und die zweite Oberfläche ausgeübt werden kann. Das Verfahren kann das In-Schwingungen-Versetzen des ersten Werkzeugs mit einer Frequenz von 5 bis 70 kHz enthalten, um einen lokalen Bereich des Werkstücks auf eine Temperatur von 20 bis 70 % einer Schmelztemperatur des Werkstücks zu erwärmen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht eines Systems zum inkrementalen Formen des Werkstücks gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine schematische Seitenansicht eines Werkstücks, das durch das System nach 1 geformt wird, gemäß einer Ausführungsform;
3 ist eine schematische Seitenansicht eines Werkstücks, das durch das System nach 1 geformt wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
4 ist eine Seitenansicht eines eine Schwingungsquelle enthaltenden Systems zum inkrementalen Formen eines Werkstücks gemäß einer Ausführungsform;
5 ist eine Seitenansicht eines eine Schwingungsquelle enthaltenden Systems zum inkrementalen Formen eines Werkstücks gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6 ist eine schematische Seitenansicht eines Werkstücks, das durch ein System, das eine Schwingungsquelle enthält, geformt wird, gemäß einer Ausführungsform;
7 ist eine schematische Seitenansicht eines Werkstücks, das durch ein System, das eine Schwingungsquelle enthält, geformt wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
8 ist eine schematische Seitenansicht eines Werkstücks, das durch ein System, das eine Schwingungsquelle und eine Form enthält, geformt wird, gemäß einer Ausführungsform; und
9 ist ein Beispiel eines Querschnitts einer Form, die mit einem eine Schwingungsquelle enthaltenden System zum inkrementalen Formen eines Werkstücks gemäß einer Ausführungsform verwendet werden kann.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die ausführlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier offenbart, wie es erforderlich ist; es ist jedoch selbstverständlich, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert sein kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht; wobei einige Merkmale übertrieben oder minimiert sein können, um die Einzelheiten der speziellen Komponenten zu zeigen. Deshalb sind spezifische strukturelle und funktionale Einzelheiten, die hier offenbart sind, nicht als einschränkend, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage zu interpretieren, um einem Fachmann auf dem Gebiet zu lehren, die vorliegende Erfindung verschieden zu verwenden.
Der Anmelder hat mehrere Systeme und Verfahren zum inkrementalen Formen eines Werkstücks in den US-Patenten mit den Nummern 8.302.442 ; 8.322.176 und 8.733.143 offenbart, deren Offenbarungen hierdurch durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier aufgenommen sind. Die offenbarten Systeme und Verfahren können das Formen von Blech in Kleinserien ermöglichen, das sowohl kosten- als auch zeiteffizient ist. In 1 ist ein Beispiel eines Systems 10 zum inkrementalen Formen eines Werkstücks 12 gezeigt. Das System 10 kann außerdem als ein Freiformherstellungssystem bezeichnet werden. Das Werkstück 12 kann aus irgendeinem geeigneten Material oder irgendwelchen geeigneten Materialien hergestellt sein, die erwünschte Formungseigenschaften aufweisen, wie z. B. ein Metall, eine Metalllegierung, ein Polymermaterial oder Kombinationen daraus. In wenigstens einer Ausführungsform kann das Werkstück 12 als Blech bereitgestellt sein. Das Werkstück 12 kann im Allgemeinen planar sein oder kann in einer oder mehreren Ausführungsformen des offenbarten Systems 10 wenigstens teilweise vorgeformt oder nicht planar sein.
Das System 10 kann eine Stützstruktur 20, eine Befestigungsanordnung 22, einen ersten Manipulator 24, einen zweiten Manipulator 26 und einen Controller 28 enthalten. Die Stützstruktur 20 kann bereitgestellt sein, um verschiedene Systemkomponenten zu stützen. Die Stützstruktur 20 kann irgendeine geeignete Konfiguration aufweisen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform weist die Stützstruktur 20 eine im Allgemeinen kastenähnliche Form auf. Selbstverständlich erwägt die vorliegende Offenbarung, dass die Stützstruktur 20 in anderen Konfigurationen bereitgestellt sein kann, die eine größere oder kleinere Anzahl von Seiten aufweisen. In wenigstens einer Ausführungsform kann die Stützstruktur 20 als ein Rahmen konfiguriert sein, der eine erste und eine zweite Plattform 30, 32 aufweist, die einander gegenüberliegend angeordnet sein können.
Ein Satz von Stützpfosten 34 kann zwischen der ersten und der zweiten Plattform 30, 32 verlaufen. Die Stützpfosten 34 können in einer oder mehreren Ausführungsformen als massive oder hohle röhrenförmige Elemente bereitgestellt sein. Es können ein oder mehrere Zugelemente 36 bereitgestellt sein, um eine Kraft auf die Stützstruktur 20 auszuüben, um einen Sollbetrag der Stabilität und Steifigkeit bereitzustellen. In wenigstens einer Ausführungsform können die Zugelemente 36 innerhalb der Stützpfosten 34 bereitgestellt sein, wobei sie eine Zugkraft ausüben können, die die erste und die zweite Plattform 30, 32 zueinander vorbelastet. Die Zugelemente 36 können von irgendeinem geeigneten Typ sein, wie z. B. Druckzylinder, Federn, vorgespannte Stäbe oder dergleichen. In wenigstens einer Ausführungsform kann die durch die Zugelemente 36 ausgeübte Kraft einstellbar sein, um verschiedene Leistungseigenschaften bereitzustellen.
Zwischen den Plattformen 30, 32 und den Stützpfosten 34 können mehrere Öffnungen bereitgestellt sein, die den Zugang zu den Systemkomponenten und die Installation und die Entfernung des Werkstücks 12 fördern können. Eine oder mehrere Öffnungen können wenigstens teilweise mit einem Abdeckmaterial, wie z. B. Metall oder Plexiglas, abgedeckt sein, das das Definieren einer Hülle unterstützt, in der das Formen des Werkstücks stattfindet. Den Öffnungen oder den Abdeckmaterialien können verschiedene Sicherheitsmerkmale zugeordnet sein, um den Systembetrieb in einer Weise, die den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist, freizugeben oder zu sperren.
Die Befestigungsanordnung 22 kann bereitgestellt sein, um das Werkstück 12 zu haltern. Die Befestigungsanordnung 22 kann einen Rahmen enthalten, der eine Öffnung 40 wenigstens teilweise definiert. Die Öffnung 40 kann wenigstens teilweise durch das Werkstück 12 abgedeckt sein, wenn ein Werkstück 12 durch die Befestigungsanordnung 22 aufgenommen ist. Mit der Befestigungsanordnung 22 können mehrere Klemmen 42 bereitgestellt sein, um mit dem Werkstück 12 in Eingriff zu gelangen und eine Kraft auf das Werkstück 12 auszuüben. Die Klemmen 42 können entlang mehrerer Seiten der Öffnung 40 bereitgestellt sein und können irgendeine geeignete Konfiguration aufweisen. Die Klemmen 42 können z. B. manuell, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch betätigt sein. Die Klemmen 42 können überdies konfiguriert sein, einen festen oder einstellbaren Betrag der Kraft auf das Werkstück 12 bereitzustellen. Eine oder mehrere Klemmen 42 können z. B. konfiguriert sein, einen konstanten Betrag der Kraft bereitzustellen, um das Werkstück 12 an einer festen Position zu halten. Alternativ können eine oder mehrere Klemmen 42 konfiguriert sein, einen einstellbaren Betrag der Kraft bereitzustellen, um einen Sollbetrag des Materialzugs bezüglich der Öffnung 40 zu erlauben.
Die Befestigungsanordnung 22 kann konfiguriert sein, sich bezüglich der Stützstruktur 20 zu bewegen. Die Befestigungsanordnung 22 kann z. B. konfiguriert sein, sich zu oder weg von der ersten Plattform 30, der zweiten Plattform 32 und/oder den Stützpfosten 34 zu bewegen. In 1 kann sich die Befestigungsanordnung 22 entlang einer vertikalen oder Z-Achse bewegen. In wenigstens einer Ausführungsform kann die Befestigungsanordnung 22 an einem oder mehreren Stützelementen 44 angebracht sein, die konfiguriert sein können, sich auszudehnen, sich zurückzuziehen und/oder sich zu drehen, um die Befestigungsanordnung 22 und ein Werkstück 12 bezüglich wenigstens eines Formungswerkzeugs zu bewegen, um das Bereitstellen eines zusätzlichen Bewegungsbereichs zu unterstützen und die Formbarkeit des Werkstücks 12 zu verbessern. Die Befestigungsanordnung 22 kann sich so bewegen, dass sie zu der ersten oder der zweiten Plattform 30, 32 parallel bleibt oder dass sich die Befestigungsanordnung 22 neigt, um eine nicht parallele Beziehung zu erreichen. Die Bewegung der Befestigungsanordnung 22 kann auftreten, wenn das Werkstück 12 geformt wird.
Es können eine erste und eine zweite Positionierungsvorrichtung oder ein erster und ein zweiter Manipulator 24, 26 bereitgestellt sein, um die Formungswerkzeuge zu positionieren. Der erste und der zweite Manipulator 24, 26 können an der ersten bzw. der zweiten Plattform 30, 32 angebracht sein. Alternativ können in einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung der erste und der zweite Manipulator 24, 26 direkt an der Stützstruktur 20 angebracht sein. Der erste und der zweite Manipulator 24, 26 können die gleiche oder verschiedene Konfigurationen aufweisen. Der erste und der zweite Manipulator 24, 26 können z. B. mehrere Freiheitsgrade aufweisen, wie z. B. Hexapod-Manipulatoren, die wenigstens sechs Freiheitsgrade aufweisen können, wie ein Hexapod-Roboter des Fanuc Robotics-Modells F-200i. Derartige Manipulatoren können im Allgemeinen mehrere prismatische Verbindungselemente oder Streben aufweisen, die eine Basis mit einer Plattform verbinden. Die Verbindungselemente oder Streben können lineare Aktuatoren, wie z. B. Hydraulikzylinder, sein, die betätigt werden können, um die Plattform bezüglich der Basis zu bewegen. Ein Manipulator mit sechs Freiheitsgraden kann sich in drei linearen Richtungen und drei Winkelrichtungen allein oder in irgendeiner Kombination bewegen. Die Manipulatoren können z. B. konfiguriert sein, ein zugeordnetes Werkzeug entlang mehrerer Achsen, wie z. B. der Achsen, die in verschiedenen orthogonalen Richtungen verlaufen, wie der X-, Y- und Z-Achsen, zu bewegen.
Der erste und der zweite Manipulator 24, 26 können mehrere Komponenten aufnehmen, die das Formen des Werkstücks 12 fördern. Diese Komponenten können eine Kraftmessdose 50, ein Heizelement 52, eine Spindel 54, eine Werkzeughalterung 56, 56' und ein Formungswerkzeug 58, 58' enthalten. Es können eine oder mehrere Kraftmessdosen 50 bereitgestellt sein, um die auf das Werkstück 12 ausgeübte Kraft zu detektieren. Die durch die Kraftmessdose 50 bereitgestellten Daten können zu dem Controller 28 übertragen werden und können verwendet werden, um den Betrieb des Systems 10 zu überwachen und zu steuern, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Die Kraftmessdose 50 kann an irgendeinem geeigneten Ort angeordnet sein, der eine genaue Datensammlung unterstützt, wie z. B. unmittelbar an dem Heizelement 52, der Spindel 54, der Werkzeughalterung 56, 56' oder dem Formungswerkzeug 58, 58'.
Das Heizelement 52 kann irgendein geeigneter Typ sein und kann elektrisch oder nicht elektrisch basierend sein. Das Heizelement 52 kann Energie bereitstellen, die zu dem Werkstück 12 übertragen werden kann, um das Bereitstellen der gewünschten Formungs- und/oder Oberflächenverarbeitungsattribute zu unterstützen. Das Heizelement 52 kann das Werkstück 12 direkt oder indirekt erwärmen. Das Heizelement 52 kann z. B. an dem oder in der Nähe des Formungswerkzeugs 58, 58' bereitgestellt sein, um das Formungswerkzeug 58, 58' direkt oder indirekt zu erwärmen, das wiederum das Werkstück 12 erwärmt. In wenigstens einer anderen Ausführungsform kann ein Laser oder ein Heizelement wenigstens einen Abschnitt des Werkstücks 12 direkt erwärmen. Alternativ können ein oder mehrere Heizelemente 52 an einer anderen Systemkomponente, wie z. B. der Befestigungsanordnung 22, angeordnet sein. Die Heizelemente 52, die dem ersten und dem zweiten Manipulator 24, 26 zugeordnet sind, können gleichzeitig oder unabhängig arbeiten. In wenigstens einer Ausführungsform kann der Betrieb eines Heizelements 52 hauptsächlich eine Seite des Werkstücks 12 erwärmen und kann die Unterschiede der Spannungsverminderungs- oder Oberflächenverarbeitungseigenschaften zwischen verschiedenen Seiten oder Bereichen des Werkstücks 12 fördern.
Die Spindel 54 kann bereitgestellt sein, um eine Werkzeughalterung 56, 56' und ein zugeordnetes Formungswerkzeug 58, 58' um eine Drehachse zu drehen. Falls die Spindel 54 bereitgestellt ist, kann sie an einem Manipulator 24, 26 angebracht sein, wobei sie im Vergleich zu einem Formungswerkzeug, das sich nicht dreht, zusätzliche Materialformungsfähigkeiten bereitstellen kann. Zusätzlich kann die Spindel 54 aktiv oder passiv gesteuert sein. Eine aktive Steuerung kann durch das Programmieren oder Steuern der Drehung der Spindel 54 stattfinden, die mit oder ohne das Synchronisieren der Spindelbewegung mit der Bewegung eines Manipulators 24, 26 stattfinden kann. Die passive Steuerung kann stattfinden, indem der Spindel 54 erlaubt wird, sich in Reaktion auf die gegen das Werkstück 12 ausgeübte Kraft, wie z. B. die über das Formungswerkzeug zu der Spindel 54 übertragene Kraft, frei zu drehen.
Die Werkzeughalterungen 56, 56' können ein Formungswerkzeug 58, 58' aufnehmen und halten. Die Werkzeughalterungen 56, 56' können die gleiche oder verschiedene Konfigurationen aufweisen. Die Werkzeughalterung 56, 56' kann eine Öffnung enthalten, die einen Abschnitt des Formungswerkzeugs 58, 58' aufnehmen kann. Überdies kann die Werkzeughalterung 56, 56' das Formungswerkzeug 58, 58' mit einer Klemme, einer Stellschraube, einem Presssitz oder einem anderen Mechanismus, der den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist, in einer festen Position befestigen. Die Werkzeughalterung 56, 56' und/oder das Formungswerkzeug 58, 58' können außerdem einem automatisierten Werkzeugwechsler 60 zugeordnet sein, der den schnellen Austausch oder die schnelle Auswechselung von Werkzeugen fördern kann, was den Fachleuten auf dem Gebiet außerdem bekannt ist.
Das Formungswerkzeug 58, 58' kann eine Kraft übertragen, um das Werkstück 12 zu formen. Das Formungswerkzeug 58, 58' kann irgendeine geeignete Geometrie aufweisen, einschließlich einer flachen, gekrümmten, sphärischen oder konischen Form oder Kombinationen daraus, ist aber nicht darauf eingeschränkt. Zusätzlich kann das Formungswerkzeug 58, 58' mit einem oder mehreren beweglichen Merkmalen oder Oberflächen, wie z. B. einer Walze, konfiguriert sein. Die Formungswerkzeuge mit der gleichen oder einer anderen Geometrie können mit dem ersten und dem zweiten Manipulator 24, 26 bereitgestellt sein. Die Auswahl der Geometrie, der Härte und der Oberflächenverarbeitungsattribute (z. B. der Beschichtungen oder der Texturen) der Formungswerkzeuge kann auf der Kompatibilität mit dem Material des Werkstücks und der Form, der Oberflächengüte, der Dicke oder anderer Entwurfsmerkmale, die in dem geformten Werkstück 12 gewünscht sind, basieren.
Der eine oder die mehreren Controller 28 oder das eine oder die mehreren Steuermodule können zum Steuern des Betriebs des Systems 10 bereitgestellt sein. Der Controller 28 kann z. B. den Betrieb der Befestigungsanordnung 22, der Manipulatoren 24, 26, der Kraftmessdose 50, des Heizelements 52, der Spindel 54 und des Werkzeugwechslers 60 überwachen und steuern. Der Controller 28 kann dafür ausgelegt sein, CAD-Daten zu empfangen und eine numerische Computersteuerung (CNC) bereitzustellen, um das Werkstück 12 in die Entwurfsspezifikationen zu formen. Zusätzlich kann der Controller 28 den Betrieb eines Messsystems 62, das bereitgestellt sein kann, um die Dimensionseigenschaften des Werkstücks 12 während des Formungsprozesses zu überwachen, überwachen und steuern. Das Messsystem 62 kann irgendein geeigneter Typ sein. Die Messungen können z. B. auf dem physischen Kontakt mit dem Werkstück 12 basieren oder können ohne physischen Kontakt, wie z. B. mit einem Laser oder einem optischen Messsystem, ausgeführt werden.
Wie vorher dargelegt worden ist, kann das System 10 verwendet werden, um ein Werkstück inkremental zu formen. Beim inkrementalen Formen wird ein Werkstück durch eine Folge von kleinen inkrementalen Deformationen in eine gewünschte Konfiguration geformt. Die kleinen inkrementalen Deformationen können durch das Bewegen eines oder mehrerer Werkzeuge entlang einer oder mehreren oder gegen eine oder mehrere Oberflächen des Werkstücks bereitgestellt werden. Die Werkzeugbewegung kann entlang eines vorgegebenen oder programmierten Wegs stattfinden. Zusätzlich kann der Werkzeugbewegungsweg außerdem basierend auf einer gemessenen Rückkopplung, wie z. B. von der Kraftmessdose, adaptiv in Echtzeit programmiert werden. Folglich kann das Formen in Inkrementen stattfinden, wenn wenigstens ein Werkzeug bewegt wird, und ohne Material von dem Werkstück zu entfernen.
In einer Ausführungsform kann das inkremental zu formende Material in das System geladen werden. Das Material, das wenigstens teilweise vorgeformt sein kann, kann manuell oder automatisch in der Befestigungsanordnung 22 über wenigstens einem Abschnitt der Öffnung 40 positioniert und ausgerichtet werden. Das Werkstück kann dann festgeklemmt werden, um das Material an einem gewünschten Ort zu befestigen, wie vorher erörtert worden ist. Zusätzlich kann an einer oder mehreren Oberflächen des zu formenden Materials ein reibungsverringerndes Material wie Wachs oder ein Schmiermittel bereitgestellt werden, um das Verringern der Reibung zu unterstützen und/oder die Oberflächengüte zu verbessern.
Das Material kann dann zu einer Zwischenform "grob geformt" oder allgemein geformt werden. Das grobe Formen kann verursachen, dass sich die Form des Materials so ändert, dass wenigstens ein Abschnitt des Werkstücks nicht in einer endgültigen oder Zielform geformt ist. Das grobe Formen kann durch den Betrieb des ersten und des zweiten Manipulators 24, 26 ausgeführt werden. Der Controller 28 kann z. B. ein Programm ausführen, um die Manipulatoren 24, 26 zu bewegen, so dass ihre jeweiligen Werkzeuge mit dem Material in Kontakt gelangen und eine Kraft auf das Material ausüben, um seine Form zu ändern. Es können ein oder mehrere Werkzeuge verwendet werden, um das Material grob zu formen. Die Verwendung eines Werkzeugs kann im Vergleich zu der Verwendung von mehr als einem Werkzeug zu einer verringerten Steuerung der lokalen Deformation des Werkstücks führen. Die Verwendung mehrerer Werkzeuge kann eine verbesserte Dimensionsgenauigkeit zur Folge haben, weil die auf eine Seite des Werkstücks ausgeübten Kräfte wenigstens teilweise durch eine Kraft, die durch ein Werkzeug auf eine gegenüberliegende Seite des Werkstücks ausgeübt wird, ausgeglichen oder beeinflusst werden können. Ein Werkzeug als solches kann eine lokalisierte Unterstützung bereitstellen, die die lokalisierte Bewegung des Materials verringert.
Während des groben Formens können die Manipulatoren die Werkzeuge positionieren oder bewegen, so dass sie sich nicht in unmittelbarer Nähe gegenüberliegend befinden (d. h., nicht in unmittelbarer Nähe oder Ausrichtung, während sie sich auf gegenüberliegenden oder verschiedenen Seiten des Werkstücks befinden), wie in 2 veranschaulicht ist. In 2 ist gezeigt, dass das erste und das zweite Werkzeug 58, 58' eine Kraft auf das Werkstück 12 ausüben, so dass sich eine gekrümmte Oberfläche ergibt. Während des groben Formens können das erste und das zweite Werkzeug entlang des gleichen oder verschiedener Wege bewegt werden, wobei derartige Bewegungen miteinander synchronisiert sein können oder nicht.
Das Material kann dann "formgeschlichtet" werden, so dass die endgültige gewünschte Form des Werkstücks erreicht wird. Das Formschlichten kann die Abweichungen von der Entwurfsabsicht kompensieren, die auf die Metallentspannung und die Gesamtdeformation des Werkstücks aufgrund des groben Formens und/oder der Werkzeugpositionierung oder einer Werkzeugkontaktposition, die sich von der Entwurfsabsicht unterscheidet, zurückzuführen sind. Das Formschlichten kann durch das Betätigen der Manipulatoren stattfinden, so dass mehrere Werkzeuge in unmittelbarer Nähe zueinander gegenüberliegend positioniert sind (d. h., in unmittelbarer Nähe oder Ausrichtung positioniert sind, während sie sich auf gegenüberliegenden oder verschiedenen Seiten des Werkstücks befinden). Eine beispielhafte Darstellung des Formschlichtens ist in 3 gezeigt. Während des Formschlichtens kann die Abweichung von einer gewünschten oder Zielform durch das Ausüben einer Kraft auf verschiedene Seiten des Werkstücks eingestellt oder korrigiert werden, so dass die durch ein Werkzeug ausgeübte Kraft wenigstens teilweise durch die durch ein weiteres Werkzeug ausgeübte Kraft ausgeglichen wird oder der durch ein Werkzeug ausgeübten Kraft wenigstens teilweise durch die durch ein weiteres Werkzeug ausgeübte Kraft entgegengewirkt wird. Spezifischer können die Werkzeuge in ausreichend unmittelbarer Nähe positioniert werden, um es zu unterstützen, das Formen des Werkstücks genauer zu steuern. Die Manipulatoren können die Werkzeuge während des Formschlichtens im Allgemeinen entlang ähnlicher Wege zu ähnlichen Orten bewegen, so dass eine ausreichende unmittelbare Nähe erreicht und/oder aufrechterhalten wird.
Nach dem Schritt des Formschlichtens können die Dimensionen des geformten Werkstücks bewertet werden. Die Dimensionsbewertung kann unter Verwendung eines Messsystems ausgeführt werden, wie vorher erörtert worden ist. Wenn sich eine oder mehrere Dimensionseigenschaften nicht innerhalb einer vorgegebenen Toleranz befinden, dann können zusätzliche Formungsoperationen ausgeführt werden und/oder können Programmierungseinstellungen vorgenommen werden. Das fertiggestellte Werkstück kann dann aus dem System entfernt werden. Spezifischer können die Klemmen von dem Werkstück gelöst werden und von dem Werkstück außer Eingriff gebracht werden, so dass das Material von der Befestigungsanordnung entfernt werden kann.
Die Freiformherstellung von Blech stützt sich auf eine lokalisierte plastische Deformation des Materials, das sich zwischen zwei Formungswerkzeugen des Nadeltyps in Kontakt befindet. Der gesteuerte Klemmendruck und die Verschiebung der beiden sich in Kontakt befindlichen Spitzen des Nadeltyps können durch wiederholte Formungsdurchgänge, die voneinander versetzt sind, das Material allmählich in die Form ziehen. Es ist festgestellt worden, dass die plastische Deformation des Materials eine Änderung der Kornstruktur und/oder eine Verdünnung des geformten Materials zur Folge haben kann. Die Körner des geformten Materials können z. B. das Material ähnlich zu einem Walzprozess strecken und härten. Diese physikalischen Materialänderungen können die Formungsfähigkeit des Prozesses begrenzen. Die vorher beschriebenen Geometrien der Prozessformungswerkzeuge und die erforderlichen Kräfte, um das Material zu ziehen, eignen sich selbst im Allgemeinen nicht zur Formung dünner Metallfolien (die z. B. weniger als 1 mm dick sind). Es würde zusätzlich vorteilhaft sein, die Freiformung von Blech, das wenigstens 1 mm dick ist, zu verbessern, z. B. die Strecke, die das Blech während einer Formungsoperation gezogen werden kann, zu vergrößern oder die Änderung der Kornstruktur oder der Eigenschaften des Materials abzuschwächen.
Es ist erkannt worden, dass das Anwenden einer Hochfrequenzschwingung, z. B. einer Ultraschallschwingung, die Leistung des Freiformherstellungssystems 10 verbessern und/oder den Bereich der Blechdicken des Freiformherstellungssystems 10 vergrößern kann. Ohne an irgendeiner speziellen Theorie festzuhalten, wird angenommen, dass durch das Anwenden einer Schwingung auf die Formungswerkzeuge/-spitzen das Material, das sich mit den Werkzeugen/Spitzen in Kontakt befindet, anschließend angeregt und erwärmt und dadurch erweicht wird. Das Erweichen des Materials kann im Ergebnis die plastischen Deformationsgrenzen für den Formungsprozess verbessern. Die Schwingung der Nadelspitze(n) im Zusammenhang mit dem gesteuerten Klemmendruck kann das Material, das sich zwischen den Spitzen direkt in Kontakt befindet, anregen/erwärmen/erweichen. Die Wirkung auf das Material kann extrem schnell und lokalisiert sein, so dass die umgebenden Bereiche des Materials nicht signifikant beeinflusst werden. Die Formungsgrenzen der plastischen Deformation des lokal erweichten Materials zwischen den Spitzen können verbessert werden, wobei folglich erlaubt wird, dass das Material freier fließt und/oder geformt wird. Die Anregung des Materials kann es erlauben, dass weniger Deformationsdruck erforderlich ist, um das Material zu ziehen, zu formen und/oder zu gestalten, wobei dadurch erlaubt wird, dass der Freiformherstellungsprozess im Vergleich zu vorhergehenden Systemen mit dünneren Materialien (z. B. dünnen Folienmaterialien) verwendet wird. Die Freiformherstellung von dickeren Materialien kann außerdem von den schwingungsunterstützten Nadelspitzen profitieren, indem erlaubt wird, dass dickere Materialien in größeren Ausmaßen gezogen und/oder geformt werden. Die Anregung und die nachfolgende Deformation der Materialien können die Änderung der Eigenschaften des geformten Materials minimieren. Entsprechend kann die Anregung der Freiformungsherstellungsspitzen die Verwendung des Freiformungsherstellungsprozesses mit dünnen Metallfolien ermöglichen und/oder die Freiformungsherstellungsgrenzen dicker Folien (z. B. ≥ 1 mm) verbessern.
Die Schwingung oder die Anregung kann in mehreren Weisen auf die Freiformherstellungssysteme angewendet werden. In wenigstens einer Ausführungsform kann eine Schwingungsquelle 64 an einem oder beiden der Werkzeuge 58 und 58' befestigt, mit einem oder beiden der Werkzeuge 58 und 58' verbunden oder an eines oder beide der Werkzeuge 58 und 58' gekoppelt sein. In einer Ausführungsform kann die Schwingungsquelle 64 einen Schwingungswandler, wie z. B. einen Ultraschallwandler, enthalten, der einen anderen Typ der Energie in Schwingungsenergie umsetzt. Der Wandler kann irgendein geeigneter Typ des Wandlers sein, wie z. B. ein Kontaktwandler. Die Wandler, wie z. B. die Ultraschallwandler, können piezoelektrische Wandler oder kapazitive Wandler enthalten, die elektrische Energie in akustische Schwingungen umsetzen. Die piezoelektrischen Wandler können piezoelektrische Kristalle enthalten, die die Größe ändern, wenn eine Spannung angelegt wird. Deshalb veranlasst das Anlegen eines Wechselstroms (AC) über den Kristallen die Kristalle, mit sehr hohen Frequenzen zu schwingen, was akustische Hochfrequenzschwingungen (z. B. Ultraschallschwingungen) erzeugt. Die kapazitiven Wandler arbeiten basierend auf einem ähnlichen Prinzip, mit Ausnahme, dass die Wandlung auf Änderungen der Kapazität zurückzuführen ist. Dies sind jedoch lediglich Beispiele, wobei irgendein anderes geeignetes Verfahren zum Erzeugen von Schwingungen verwendet werden kann. Es können z. B. magnetostriktive Materialien verwendet werden, die die Größe um einen kleinen Betrag ändern, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind.
Die Schwingungsquelle 64 kann sich an irgendeinem geeigneten Ort befinden, der es erlaubt, dass die Schwingung zu dem Werkzeug 58 und/oder 58' übertragen wird. Die Schwingungsquelle 64 kann an der Werkzeughalterung 56, dem Heizelement 52, der Kraftmessdose 50 oder der Spindel 54 befestigt sein oder mit der Werkzeughalterung 56, dem Heizelement 52, der Kraftmessdose 50 oder der Spindel 54 einteilig sein oder kann sich zwischen irgendwelchen zwei der Obigen befinden. Die Anordnung der Schwingungsquelle 64 kann gewählt werden, um die Abstimmung der Schwingungsquelle mit der akustischen Art des Systems zu erlauben. Die Abstimmung wird im Allgemeinen in Intervallen von einer halben Wellenlänge der Resonanzfrequenz des akustischen Systems ausgeführt. Alternativ kann die Schwingungsquelle 64 an den Werkzeugen 58 und/oder 58' befestigt sein oder mit den Werkzeugen 58 und/oder 58' einteilig sein. In diesen Ausführungsformen können die Werkzeuge 58 und/oder 58' eine Geometrie aufweisen, die eine passende Ausbreitung der Schwingungswellen erlaubt. In einer Ausführungsform ist die Schwingungsquelle 64 an der Werkzeughalterung 56 befestigt oder mit der Werkzeughalterung 56 einteilig. In einer in 4 gezeigten Ausführungsform ist die Schwingungsquelle 64 an der Werkzeughalterung 56 befestigt oder mit der Werkzeughalterung 56 einteilig und ist die Schwingungsquelle 64 konfiguriert, Schwingungen in einer Richtung parallel zur langen Achse 66 der Werkzeughalterung und senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks 12, das geformt wird, zu erzeugen. Die Schwingungsquelle kann einen Wandler 68 enthalten, der mit der Werkzeughalterung 56 einteilig ausgebildet ist oder an der Werkzeughalterung 56 befestigt ist. In einer in 5 gezeigten Ausführungsform kann die Schwingungsquelle 64 ein Wandler 68 sein, der an der Werkzeughalterung 56 befestigt oder mit der Werkzeughalterung 56 einteilig ist und der konfiguriert ist, Schwingungen in einer Richtung senkrecht zur langen Achse 66 der Werkzeughalterung und parallel zur Oberfläche des Werkstücks 12, das geformt wird, zu erzeugen. Während in den 4 und 5 gezeigt ist, dass die Schwingungsquelle 64 an der Werkzeughalterung 56 befestigt oder mit der Werkzeughalterung 56 einteilig ist, um das Werkzeug 58 in Schwingungen zu versetzen, kann sie stattdessen an der Werkzeughalterung 56' befestigt oder mit der Werkzeughalterung 56' einteilig sein, um das Werkzeug 58' in Schwingungen zu versetzen. Eine Schwingungsquelle 64 (z. B. ein Wandler 68) kann außerdem an beiden Werkzeughalterungen 56 und 56' befestigt oder mit beiden Werkzeughalterungen 56 und 56' einteilig sein, um beide Werkzeuge 58 und 58' in Schwingungen zu versetzen. Die Schwingung des Werkzeugs 58' kann ähnlich parallel oder senkrecht zur langen Achse 66' der Werkzeughalterung 56' sein.
In wenigstens einer Ausführungsform ist die Schwingungsquelle 64 ein Ultraschallwandler. Die Schwingungsquelle 64 kann verursachen, dass die Werkzeuge 58 und/oder 58' schwingen. Die Schwingung kann mit einer festen Frequenz mit einem festgelegten Frequenzbereich (z. B. 20 kHz ± 500 Hz) geschehen. Der Frequenzbereich kann außerdem während eines bestimmten Zeitraums festgelegt sein und kann dann während eines anderen Zeitraums auf einen anderen Frequenzbereich eingestellt werden. Die Frequenz kann basierend auf der Position des Werkzeugs (der Werkzeuge) auf dem Werkstück, den Änderungen der Materialeigenschaften des Werkstücks, der Erwärmung des akustischen Systems oder anderen Faktoren eingestellt werden. In einer Ausführungsform kann die Frequenz wenigstens 1 kHz, z. B. wenigstens 5, 10, 18, 20, 25, 50, 60, 100 oder 150 kHz, betragen. Die Schwingungsquelle 64 kann, dargelegt als Bereiche, die Werkzeuge 58 und/oder 58' veranlassen, mit einer Frequenz von 1 bis 150 kHz oder irgendeinem Unterbereich darin zu schwingen. Das Werkzeug kann (die Werkzeuge können) z. B. bei 1 bis 100 kHz, 10 bis 100 kHz, 10 bis 90 kHz, 15 bis 90 kHz, 20 bis 90 kHz, 30 bis 90 kHz, 40 bis 80 kHz, 50 bis 70 kHz, 55 bis 70 kHz, 5 bis 70 kHz, 5 bis 40 kHz, 10 bis 35 kHz, 10 bis 30 kHz, 15 bis 25 kHz oder anderen Unterbereichen schwingen. Anders dargelegt, das Werkzeug kann (die Werkzeuge können) bei etwa 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 oder 80 kHz schwingen, wobei "etwa" ±5 kHz bedeutet. Die Frequenz kann basierend auf der Anwendung gewählt werden und kann durch Faktoren, wie z. B. den Materialtyp (z. B. Metall oder Polymer), die Materialeigenschaften (z. B. die Härte, die Kornstruktur usw.), die gewünschte Teilgeometrie oder anderen beeinflusst werden. Die Frequenz der Schwingungsquelle 64 kann durch einen Controller gesteuert sein, der die Frequenz der Schwingungsquelle einstellen kann, um eine ideale oder beinahe ideale Resonanzfrequenz für das gesamte akustische System aufrechtzuerhalten. Es können außerdem Frequenzen außerhalb der obigen Bereiche/Werte verwendet werden, wobei jedoch niedrigere Frequenzen nicht so wirksam sein können und höhere Frequenzen abnehmende Erträge bieten oder das Material, das geformt wird, beschädigen können.
In den 6–8 sind schematische Beispiele des Systems 10 zum Formen eines Werkstücks 12 gezeigt. In wenigstens einer Ausführungsform, die in 6 gezeigt ist, ist nur eines von dem Werkzeug 58 und dem Werkzeug 58' an eine Schwingungsquelle 64 gekoppelt. Das Werkzeug 58 kann z. B. in Schwingungen versetzt werden, während das Werkzeug 58' nicht in Schwingungen versetzt wird. In diesem Beispiel kann das Werkzeug 58 als das Horn 70 wirken, während das Werkzeug 58' als der Amboss 72 wirken kann. Die Begriffe "Horn" und "Amboss", wie sie hier verwendet werden, sind zu den Begriffen, die beim Ultraschallschweißen verwendet werden, analog. Das Horn 70 ist die Komponente, die die Schwingung auf die Komponente anwendet, die in dieser Ausführungsform das Werkstück 12 ist. Der Amboss 72 ist eine dem Horn gegenüberliegende Oberfläche, die das Positionieren und/oder das Stützen des Werkstücks 12 erlauben kann. Der Amboss 72 kann dem Horn 70 gegenüberliegend mit dem Werkstück 12 dazwischen angeordnet sein. Der Amboss 72 kann statisch sein (z. B. nicht in Schwingungen versetzt sein). Beim Ultraschallschweißen gibt es im Allgemeinen außerdem eine Presse, um einen Druck auf die beiden Teile, die verbunden werden, auszuüben, so dass die Schwingung auf die zu schmelzende Stelle konzentriert werden kann. In der vorliegenden Offenbarung gibt es jedoch nur ein Werkstück 12, das geformt wird (und nicht an einer anderen Komponente befestigt wird), wobei der Druck durch die Kraft zwischen den beiden Werkzeugen 58, 58' von den Manipulatoren 24, 26 bereitgestellt werden kann. Wie oben beschrieben worden ist, kann die Schwingungsquelle 64 konfiguriert sein, das Werkzeug 58 in einer Richtung parallel oder senkrecht zur langen Achse 66 der Werkzeughalterung 56 in Schwingungen zu versetzen. In der in 6 gezeigten Ausführungsform ist die Schwingungsquelle 64 konfiguriert, das Werkzeug 56 in einer Richtung senkrecht zur langen Achse 66 in Schwingungen zu versetzen.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, können sowohl das Werkzeug 58 als auch das Werkzeug 58' an eine Schwingungsquelle 64 gekoppelt sein. In dieser Ausführungsform können sowohl das Werkzeug 58 als auch das Werkzeug 58' unabhängig voneinander als ein Horn 70 oder als ein Amboss, falls keine Schwingung von der Schwingungsquelle 64 angefordert ist, wirken. In den Ausführungsformen, in denen beide Werkzeuge 58, 58' in Schwingungen versetzt werden, können die Schwingungsquellen 64 konfiguriert sein, die gleiche Frequenz oder verschiedene Frequenzen aufzuweisen. Ähnlich können die Amplituden die gleiche oder verschieden sein, wobei sie phasengleich oder phasenverschoben sein können. In einer Ausführungsform können die Werkzeuge 58 und 58' mit der gleichen Frequenz und der gleichen Amplitude schwingen. In einer weiteren Ausführungsform können sie außerdem phasenverschoben in Schwingungen versetzt sein. Das Bereitstellen der Schwingung für beide Werkzeuge 58 und 58' kann den Betrag der Anregung oder der lokalen Erwärmung in dem Werkstück 12 vergrößern. Im Ergebnis kann das Formen des Werkstücks 12 leichter sein und/oder können die Ziehgrenzen verbessert sein (z. B. ein tieferes Ziehen oder dünnere Werkstücke). Wie oben beschrieben worden ist, können die Schwingungsquellen 64 konfiguriert sein, die Werkzeuge 58 und 58' in einer Richtung parallel oder senkrecht zu den langen Achsen 66 und 66' der Werkzeughalterungen 56 und 56' in Schwingungen zu versetzen. In der in 7 gezeigten Ausführungsform sind die Schwingungsquellen 64 konfiguriert, die Werkzeuge 58 und 58' in einer Richtung parallel zu den langen Achsen 66 und 66' in Schwingungen zu versetzen.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 8 gezeigt ist, kann ein Manipulator in dem System 10 entfernt sein oder nicht verwendet werden, wobei er durch eine Form 76 ersetzt sein kann. Der Manipulator 26 kann z. B. entfernt oder von dem Werkstück 12 wegbewegt sein. An seiner Stelle kann eine Form 76 auf einer Seite des Werkstücks 12 (z. B. unter dem Werkstück 12) positioniert sein. In einer weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform kann die Form 76 an dem Manipulator 26 angebracht sein, wobei sie einige oder alle der Elemente 50, 52, 54, 56 und 58 ersetzt. Die Form 76 kann eine Oberflächenkontur 78 mit einer zu der einer gewünschten Komponente inversen Form aufweisen. Der Manipulator 24 kann das Werkstück 12 auf der Form 76 unter Verwendung des Werkzeugs 58 durch das Bewegen auf einem vorgegebenen oder programmierten Weg ähnlich zum oben beschriebenen inkremental formen. Falls die Form 76 an dem Manipulator 26 angebracht ist, kann sich der Manipulator 24 im Einklang mit dem Manipulator 26 bewegen. In diesen Ausführungsformen kann das Werkzeug 58 unter Verwendung einer Schwingungsquelle 64 in Schwingungen versetzt werden. Ähnlich zu der bezüglich 6 beschriebenen Ausführungsform kann das Werkzeug 58 als ein Horn 70 wirken. In diesen Ausführungsformen kann die Form 76 jedoch als ein Amboss wirken, der eine entgegengesetzte Oberfläche, eine Stütze und/oder eine Positionierung für das Werkzeug 58 bereitstellt, um es zu erlauben, dass auf das Werkstück 12 zwischen dem Werkzeug 58 und der Form 76 ein Druck ausgeübt wird. In einer Ausführungsform ist ein beispielhafter Querschnitt dessen in 9 gezeigt, wobei die Form 76 eine Oberflächenkontur 78 aufweisen kann, die das Inverse einer gewünschten bipolaren Plattengeometrie für eine Brennstoffzelle ist. Die Form 76 kann mehrere Spitzen 80 und Täler 82 aufweisen, um Gaskanäle oder andere Plattenmerkmale in der resultierenden bipolaren Platte zu formen.
Wie oben beschrieben worden ist, kann es die Ergänzung der Schwingungsquelle 64 zu dem System 10 erlauben, dass dünneres Blech unter Verwendung des Freiformherstellungssystems geformt wird. In wenigstens einer Ausführungsform kann Blech mit einer Anfangsdicke von bis zu 1 mm geformt oder gestaltet werden. Das Blech, das eine Anfangsdicke von kleiner als oder gleich 0,5, 0,4, 0,3, 0,2, 0,1 oder 0,05 mm aufweist, kann z. B. unter Verwendung des Systems 10, das eine Schwingungsquelle 64 enthält, geformt werden. In einer Ausführungsform kann das Blech eine Anfangsdicke von 0,05 bis 0,9 mm oder irgendeinem Unterbereich darin, wie z. B. 0,05 bis 0,75 mm, 0,05 bis 0,5 mm, 0,05 bis 0,25 mm, 0,05 bis 0,15 mm, 0,05 bis 0,1 mm oder etwa 0,1 mm, aufweisen.
Zusätzlich zum Erlauben, dass dünneres Blech durch das Freiformherstellungssystem 10 geformt oder gestaltet wird, kann die Schwingung des Werkzeugs (der Werkzeuge) 58, 58' außerdem das vergrößerte Ziehen dickeren Blechs (z. B. ≥ 1 mm) erlauben. Dies kann auf das Erweichen des Materials während des Ziehens zurückzuführen sein. Der Grad oder die Grenze des Ziehens kann basierend auf Faktoren, wie z. B. dem Materialtyp, den Materialeigenschaften und der Geometrie, variieren. Die Schwingung des Werkzeugs (der Werkzeuge) 58, 58' kann im Vergleich zu dem gleichen Blech, das unter denselben Bedingungen, aber ohne Schwingung, gezogen wird, ein vergrößertes Ziehen eines Blechs erlauben. Bestimmte Bleche weisen z. B. gegenwärtig eine Zuggrenze von etwa 150 % auf. Mit der Schwingung des Werkzeugs (der Werkzeuge) kann die Zuggrenze jedoch 175 %, 200 % oder höher sein.
Die Amplitude der durch die Schwingungsquelle 64 in den Werkzeugen 58 und/oder 58' erzeugten Schwingung kann in Abhängigkeit von dem geformten Material, der zu formenden Form oder anderen Faktoren festgelegt werden. Im Allgemeinen stellt eine höhere Amplitude eine vergrößerte Anregung und/oder Erwärmung für das Werkstück 12 bereit. In wenigstens einer Ausführungsform kann sich die Amplitude der Schwingung von 0,5 bis 100 µm oder in irgendeinem Unterbereich darin befinden. Die Amplitude kann sich z. B. von 0,5 bis 75 µm, 1 bis 50 µm, 5 bis 50 µm, 5 bis 45 µm, 10 bis 45 µm, 15 bis 45 µm, 15 bis 40 µm oder 20 bis 35 µm befinden. Wie oben beschrieben worden ist, kann die Amplitude eine Bewegung in der vertikalen Richtung (z. B. senkrecht zum Werkstück) oder in der horizontalen Richtung (z. B. parallel zum Werkstück) beschreiben. Wie in der Technik des Ultraschallschweißens bekannt ist, können verschieden dimensionierte Verstärker zu der Schwingungsquelle 64 hinzugefügt und in das System 10, wie z. B. in das Werkzeug (die Werkzeuge) oder die Werkzeughalterung(en), aufgenommen werden. Die Verstärker können die Amplitude der Schwingung von der Schwingungsquelle 64 modifizieren (z. B. vergrößern).
Das System 10, das ein an eine Schwingungsquelle 64 gekoppeltes Werkzeug enthält, kann verwendet werden, um irgendein Blech zu formen oder zu gestalten. Nicht einschränkende Beispiele der Metalle, die durch das System 10 geformt werden können, enthalten Stahl, Aluminium, Titan oder Legierungen davon. Die Parameter der Schwingungsquelle, wie z. B. die Frequenz und die Amplitude, die Wandlerorientierung, die auf das Werkstück ausgeübte Kraft, das Spitzenmaterial oder andere werden im Allgemeinen basierend auf dem Material, das geformt wird, eingestellt. Die Parameter können z. B. basierend auf den physikalischen Eigenschaften und/oder Charakteristika des Werkstücks (z. B. der Dicke, der Härte oder der Korngröße) eingestellt werden.
Wie oben beschrieben worden ist, kann die Schwingung des Werkzeugs (der Werkzeuge) eine lokalisierte Erwärmung des Metallwerkstücks verursachen und es dadurch leichter machen, es zu formen und zu gestalten. Die lokale Temperatur des Werkstücks (z. B. des Bereichs zwischen den Werkzeugen 58 und 58' oder einem Werkzeug 58 und der Form 76) kann auf eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Werkstückmetalls erhöht werden. In einer Ausführungsform kann die lokale Temperatur einer Legierung durch die Schwingung auf 90 bis 200 °F oder irgendeinem Unterbereich darin erhöht werden. Die lokale Temperatur kann z. B. auf 90 bis 150 °F, 90 bis 130 °F, 100 bis 130 °F, 105 bis 125 °F, 110 bis 125 °F, 105 bis 120 °F, 110 bis 120 °F oder andere Unterbereiche erhöht werden. Die lokale Temperatur einer Legierung kann außerdem auf einen Prozentsatz der Schmelztemperatur der Legierung erhöht werden. Die Legierung kann z. B. auf 10 bis 80 % ihrer Schmelztemperatur oder irgendeinem Unterbereich darin, wie z. B. 20 bis 70 %, 25 bis 65 %, 30 bis 60 %, 35 bis 55 % oder 40 bis 50 % ihrer Schmelztemperatur, erwärmt werden.
Die Schwingungsquelle(n) 64 können durch einen oder mehrere Controller 28 (oder einen separaten Controller) in einer Weise, die zu der ähnlich ist, die oben für die Manipulatoren, Kraftmessdosen und anderen Komponenten beschrieben worden ist, gesteuert sein. Der (die) Controller 28 kann (können) z. B. den Betrieb der Schwingungsquelle(n) 64, wie z. B. der Wandler 68, überwachen und steuern. Der (die) Controller 28 kann (können) die Schwingungsfrequenz des Werkzeugs (der Werkzeuge), die Amplitude der Schwingung, die Zeitsteuerung der Schwingung oder andere Parameter steuern. Der Controller 28 kann die Parameter der Schwingungsquelle(n) in Reaktion auf die Resonanzeigenschaft des Systems steuern. Zusätzlich kann der (können die) Controller 28 den Betrieb des Messsystems 62 überwachen und steuern, das bereitgestellt sein kann, um die Dimensionseigenschaften des Werkstücks 12 während des Formungsprozesses zu überwachen, die die lokale Temperatur des Werkstücks 12 und/oder die Frequenz und/oder die Amplitude der Schwingung des Werkstücks 12 enthalten können.
Die offenbarten Systeme und Verfahren können verwendet werden, um ein Werkstück mit komplexen Geometrien zu formen, ohne sich die Kosten und die Vorlaufzeit, die dem Entwurf, der Konstruktion und dem Transport der Formen, die historisch verwendet worden sind, um Werkstücke wie Blech zu formen, zugeordnet sind, zuzuziehen. Außerdem kann die Investition von Kapital in die zugeordneten Geräte (z. B. die Pressen) verringert oder vermieden werden. Die Kosten pro Stück und der Zeitraum zur Herstellung als solche können beträchtlich verringert werden. Überdies können die offenbarten Systeme und Verfahren im Vergleich zu anderen Techniken, wie z. B. der inkrementalen Einzelpunktformung, ein Teil mit verbesserter Oberflächenqualität und Dimensionsgenauigkeit herstellen. Zusätzlich kann der Energieverbrauch verringert werden. Derartige Vorteile können bei den Operationen der Prototypenentwicklung, der Kleinserienproduktion und/oder der Großserienproduktion verwirklicht werden.
Während oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden sind, ist nicht vorgesehen, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Stattdessen sind die in der Beschreibung verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung anstatt der Einschränkung, wobei es selbstverständlich ist, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale, die die verschiedenen Ausführungsformen implementieren, kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
Es ist ferner beschrieben:

A. System zum Formen eines Werkstücks, wobei das System Folgendes umfasst: eine Befestigungsanordnung zum Aufnehmen eines Werkstücks, das gegenüberliegende erste und zweite Oberflächen aufweist; ein erstes und ein zweites Werkzeug; und eine Schwingungsquelle, die konfiguriert ist, das erste Werkzeug in Schwingungen zu versetzen; wobei das erste und das zweite Werkzeug konfiguriert sind, sich entlang eines ersten und eines zweiten vorgegebenen Bewegungswegs zu bewegen, wenn das erste Werkzeug durch die Schwingungsquelle in Schwingungen versetzt wird, und eine Kraft auf die erste und die zweite Oberfläche auszuüben, um das Werkstück zu formen.
B. System nach A, wobei das erste und das zweite Werkzeug konfiguriert sind, sich entlang des ersten und des zweiten vorgegebenen Wegs zu bewegen und eine Kraft auf die erste und die zweite Oberfläche auszuüben, um das Werkstück zu formen, ohne die erste und die zweite Oberfläche zu durchdringen.
C. System nach A, wobei die Schwingungsquelle konfiguriert ist, das erste Werkzeug mit einer Frequenz von 5 bis 70 kHz in Schwingungen zu versetzen.
D. System nach A, wobei die Schwingungsquelle konfiguriert ist, das erste Werkzeug mit einer Amplitude von 1 bis 50 µm in Schwingungen zu versetzen.
E. System nach A, wobei die Schwingungsquelle konfiguriert ist, das erste Werkzeug in einer Richtung, die im Wesentlichen zur ersten Oberfläche parallel ist, in Schwingungen zu versetzen.
F. System nach A, wobei die Schwingungsquelle konfiguriert ist, das erste Werkzeug in einer Richtung, die im Wesentlichen zur ersten Oberfläche senkrecht ist, in Schwingungen zu versetzen.
G. System nach A, das ferner einen Manipulator enthält, der eine Werkzeughalterung enthält, die konfiguriert ist, das erste Werkzeug zu halten, wobei die Schwingungsquelle einen Wandler enthält, der an der Werkzeughalterung befestigt ist oder mit der Werkzeughalterung einteilig ist.
H. System nach A, wobei der erste und der zweite vorgegebene Weg komplementär sind, so dass ein Druck in einem lokalen Bereich des Werkstücks auf die erste und die zweite Oberfläche ausgeübt wird.
I. System nach A, wobei die Schwingungsquelle eine erste Schwingungsquelle ist und das System ferner eine zweite Schwingungsquelle umfasst, die konfiguriert ist, das zweite Werkzeug in Schwingungen zu versetzen.
J. System nach I, wobei die erste und die zweite Schwingungsquelle konfiguriert sind, das erste und das zweite Werkzeug mit der gleichen Frequenz in Schwingungen zu versetzen.
K. System, das Folgendes umfasst: eine Befestigungsvorrichtung zum Halten eines Werkstücks; ein erstes Werkzeug; und eine Schwingungsquelle, die konfiguriert ist, das erste Werkzeug in Schwingungen zu versetzen; wobei das erste Werkzeug konfiguriert ist, sich entlang einer ersten Oberfläche des Werkstücks zu bewegen und eine Kraft auf das Werkstück gegen ein zweites Werkzeug auszuüben, wenn das erste Werkzeug in Schwingungen versetzt ist, um das Werkstück zu formen.
L. System nach K, das ferner einen ersten Manipulator, der konfiguriert ist, das erste Werkzeug entlang mehrerer Achsen entlang der ersten Oberfläche des Werkstücks zu bewegen, und einen zweiten Manipulator, der konfiguriert ist, das zweite Werkzeug entlang mehrerer Achsen entlang einer zweiten Oberfläche des Werkstücks zu bewegen, umfasst.
M. System nach K, wobei das zweite Werkzeug eine Form umfasst, die eine Oberflächenkontur aufweist.
N. System nach K, wobei die Schwingungsquelle konfiguriert ist, das erste Werkzeug mit einer Frequenz von 5 bis 70 kHz und mit einer Amplitude von 1 bis 50 µm in Schwingungen zu versetzen.
O. System nach K, das ferner einen Manipulator umfasst, der eine Werkzeughalterung enthält, die konfiguriert ist, das erste Werkzeug zu halten, wobei die Schwingungsquelle einen Wandler enthält, der an der Werkzeughalterung befestigt ist oder mit der Werkzeughalterung einteilig ist.
P. Verfahren zum Formen eines Werkstücks, das gegenüberliegende erste und zweite Oberflächen enthält, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Positionieren eines ersten und eines zweiten Werkzeugs; In-Schwingungen-Versetzen des ersten Werkzeugs unter Verwendung einer Schwingungsquelle; und Bewegen des schwingenden ersten Werkzeugs und des zweiten Werkzeugs entlang eines ersten und eines zweiten Formungswegs entlang mehrerer Achsen, so dass das erste und das zweite Werkzeug mit der ersten und der zweiten Oberfläche in Kontakt gelangen, um das Werkstück zu formen.
Q. Verfahren nach P, wobei das erste Werkzeug durch eine Werkzeughalterung gehalten wird und durch einen Wandler, der an der Werkzeughalterung befestigt ist oder mit der Werkzeughalterung einteilig ist, in Schwingungen versetzt wird,
R. Verfahren nach P, wobei das erste Werkzeug mit einer Frequenz von wenigstens 1 kHz in Schwingungen versetzt wird.
S. Verfahren nach P, wobei der erste und der zweite Formungsweg komplementär sind und wobei in einem lokalen Bereich des Werkstücks ein Druck auf die erste und die zweite Oberfläche ausgeübt wird.
T. Verfahren nach P, das ferner das In-Schwingungen-Versetzen des ersten Werkzeugs mit einer Frequenz von 5 bis 70 kHz umfasst, um einen lokalen Bereich des Werkstücks auf eine Temperatur von 20 bis 70 % einer Schmelztemperatur des Werkstücks zu erwärmen.

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 8302442 [0021]
US 8322176 [0021]
US 8733143 [0021]

Claims

System zum Formen eines Werkstücks, wobei das System Folgendes umfasst: eine Befestigungsanordnung zum Aufnehmen eines Werkstücks, das gegenüberliegende erste und zweite Oberflächen aufweist; ein erstes und ein zweites Werkzeug; und eine Schwingungsquelle, die konfiguriert ist, das erste Werkzeug in Schwingungen zu versetzen; wobei das erste und das zweite Werkzeug konfiguriert sind, sich entlang eines ersten und eines zweiten vorgegebenen Bewegungswegs zu bewegen, wenn das erste Werkzeug durch die Schwingungsquelle in Schwingungen versetzt wird, und eine Kraft auf die erste und die zweite Oberfläche auszuüben, um das Werkstück zu formen.
System nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Werkzeug konfiguriert sind, sich entlang des ersten und des zweiten vorgegebenen Wegs zu bewegen und eine Kraft auf die erste und die zweite Oberfläche auszuüben, um das Werkstück zu formen, ohne die erste und die zweite Oberfläche zu durchdringen.
System nach Anspruch 1, wobei die Schwingungsquelle konfiguriert ist, das erste Werkzeug mit einer Frequenz von 5 bis 70 kHz in Schwingungen zu versetzen.
System nach Anspruch 1, wobei die Schwingungsquelle konfiguriert ist, das erste Werkzeug mit einer Amplitude von 1 bis 50 µm in Schwingungen zu versetzen.
System nach Anspruch 1, wobei die Schwingungsquelle konfiguriert ist, das erste Werkzeug in einer Richtung, die im Wesentlichen zur ersten Oberfläche parallel ist, in Schwingungen zu versetzen.
System nach Anspruch 1, wobei die Schwingungsquelle konfiguriert ist, das erste Werkzeug in einer Richtung, die im Wesentlichen zur ersten Oberfläche senkrecht ist, in Schwingungen zu versetzen.
System nach Anspruch 1, das ferner einen Manipulator enthält, der eine Werkzeughalterung enthält, die konfiguriert ist, das erste Werkzeug zu halten, wobei die Schwingungsquelle einen Wandler enthält, der an der Werkzeughalterung befestigt ist oder mit der Werkzeughalterung einteilig ist.
System nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite vorgegebene Weg komplementär sind, so dass ein Druck in einem lokalen Bereich des Werkstücks auf die erste und die zweite Oberfläche ausgeübt wird.
System nach Anspruch 1, wobei die Schwingungsquelle eine erste Schwingungsquelle ist und das System ferner eine zweite Schwingungsquelle umfasst, die konfiguriert ist, das zweite Werkzeug in Schwingungen zu versetzen.
System nach Anspruch 9, wobei die erste und die zweite Schwingungsquelle konfiguriert sind, das erste und das zweite Werkzeug mit der gleichen Frequenz in Schwingungen zu versetzen.