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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Hochgeschwindigkeitsumformen von Blechen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und ein entsprechendes Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruches 14.
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Im Prototypenbau, oder wenn lediglich kleine Serien von Werkstücken hergestellt werden sollen, machen Werkzeugmaterial und Werkzeugkosten sowie die dafür benötigte Fertigungszeit eine konventionelle Herstellung von Blechformteilen z. B. mittels Tiefziehen, Gesenkbiegen, oder Streckziehen häufig unwirtschaftlich. Üblicherweise werden für eine Umformung wie etwa beim Tiefziehen oder Gesenkbiegen eine Positivform und eine Negativform für eine hinreichend genaue Umformung von Blechen benötigt, wobei die Positivform und die Negativform meist aus hochwertigen und hochfesten Werkstoffen hergestellt werden müssen, um die Genauigkeit der Umformung zu gewährleisten. Dies bedingt aber, dass die Herstellung dieser Positiv- und Negativformen zeitaufwändig und teuer ist.
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Ansätze wie das „Rapid Tooling“ und „Rapid Manufacturing“ versuchen bereits, das oben genannte Problem zu reduzieren. Dabei werden letztlich Strategien zur Materialsubstitution verfolgt, um ansonsten vor allem spanend in der Regel aus Werkzeugstählen hergestellte Umformwerkzeuge zu ersetzen. Es wird dabei zwischen indirekten und direkten Verfahren unterschieden. Bei dem ersten Ansatz werden zunächst mittels sog. generativer Verfahren aus einem deutlich weicheren und günstigerem Material (wie etwa Wachs) Vorformen erzeugt, die wiederum Gussformen für die eigentlichen Umformwerkzeuge darstellen (z. B. aus Epoxidharzen). Bei dem direkten Ansatz wird der Schritt der Vorform eliminiert, indem die Werkzeuge direkt generativ aus Materialien mit besseren mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, typischerweise unter Verwendung von Metallpulvern. Für mittlere Serien können auch Metallschalen entsprechend hintergossen werden, die beispielsweise galvanisch abgeschieden oder thermisch gespritzt werden. Die genannten Rapid Tooling-Konzepte gelten prinzipiell analog für Werkzeuge der Hochgeschwindigkeitsumformung, wofür gedrucktes Plastik (PLA) und auch weichere Materialien bereits als elastisches Material für Festkörperwerkzeuge experimentell validiert wurden.
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Ein Anwendungsbeispiel für besonders niedrige Stückzahlen stellen auf Computertomographiedaten basierende, patientenspezifische Schädel- oder Gesichtsimplantate dar (Idealfall: Stückzahl 1). In der Vergangenheit wurden derartige Implantate oft aus Titan gegossen oder gefräst. Neben den fertigungstechnischen Nachteilen hoher Ressourcenverbräuche (Energieaufwand für Schmelzen sowie Material- und Zeitaufwand für Kokille bzw. Implantatmaterialverlust bei CNC-Anfertigung aus dem Vollen) bestand konstruktionsbedingt auch die Gefahr medizinischer Nachteile für die Patienten, die durch die Verwendung dünner, umgeformter Bleche gemindert werden konnten. Bei Nutzung konventioneller Umformverfahren müssen dann Werkzeuge mit positiver und negativer Bauteilform bereitgestellt werden; hinzu kommen Rückfederungsproblematiken. Zumindest eine Werkzeughälfte kann eingespart werden, wenn auf alternative Umformverfahren zurückgegriffen wird.
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So wird bei der Hydroumformung eines Schädelimplantats eine Werkzeughälfte durch ein hydraulisches Medium ersetzt, bei der inkrementellen Implantatumformung durch einen computergesteuerten, geometrieunabhängigen Stichel, der durch lokale Umformung langsam sukzessive die Bauteilgeometrie abfährt. Dabei ist die Rückfederung jedoch in der Regel noch ausgeprägter als bei den konventionellen Umformverfahren, sodass unter anderem eine zusätzliche Wärmebehandlung der hergestellten Bauteile nötig wird.
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Einen aktuellen, nicht umformtechnischen Ansatz stellt die direkte additive Herstellung von Implantaten dar. Das Handhaben und kontrolliert lokale Schmelzen und Erstarren von Metallpulvern ist jedoch technologisch aufwändig und daher verhältnismäßig zeit- und kostenintensiv. Zudem variieren die Bauteileigenschaften mit der thermomechanischen Prozesshistorie und räumlichen Orientierung, so dass manche Anforderungen ggf. nicht erreicht oder weitere Bearbeitungsschritte nötig werden. Der additive Ansatz ohne Werkzeuge konkurriert mit der Umformtechnik.
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Allen bisherigen umformtechnischen Ansätzen ist der Nachteil gemeinsam, dass noch immer relativ massive Festkörperwerkzeuge benötigt werden, die den stets quasistatischen Umformkräften standhalten.
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Die oben beschriebenen Probleme können prinzipiell mittels sogenannten Hochgeschwindigkeitsumformverfahren (Prozesszeit im Mikro- bis Millisekundenbereich) eliminiert, gegebenenfalls verbessert, oder zumindest reduziert werden, wobei vor allem (aber nicht ausschließlich) die elektromagnetische, die elektrohydraulische, in begrenztem Umfang die Explosions- und Laserschockumformung, oder die Umformung mittels vaporisierender Aktuatoren gemeint ist. Bei der Hochgeschwindigkeitsumformung wird einseitig eine hohe Energie auf das umzuformende Blech aufgebracht und dadurch das Blech in Richtung auf die formgebende Werkzeugoberfläche beschleunigt und dadurch bleibend umgeformt. Durch die extreme Umformgeschwindigkeit tritt meist weniger Rückfederung der umgefomen Bleche auf, zudem können viele Werkstoffe bei den hohen Prozessgeschwindigkeiten leichter umgeformt werden. Nachteilig ist aber, dass weiterhin eine formgebende Werkzeugoberfläche benötigt wird, gegen die das Blech sich aufgrund der Hochgeschwindigkeitsumformung anlegen kann und diese Werkzeugoberfläche muss sicher gegenüber der Belastung durch die Hochgeschwindigkeitsumformung abgestützt werden, um eine maßhaltige Umformung des Bleches zu gewährleisten. Hierfür wird die formgebende Werkzeugoberfläche üblicherweise vollmassiv aus entsprechend hochfesten Materialien herausgearbeitet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Aufwand für die Herstellung von Werkzeugen für die Hochgeschwindigkeitsumformung zu vermindern und zumindest Teile der Werkzeuge wieder verwenden zu können.
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Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich der Vorrichtung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich des Verfahrens aus den Merkmalen des Anspruchs 14 jeweils in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Hochgeschwindigkeitsumformen von Blechen, bei dem das Umformwerkzeug zumindest bereichsweise aus dünnen schalenartig gebildeten Formabschnitten gebildet ist, die zumindest einen Teil der Oberfläche der Werkzeugform bilden. Eine derartige gattungsgemäße Vorrichtung wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass an die schalenartig gebildeten Formabschnitte zumindest abschnittsweise ein Volumen einer dilatanten Flüssigkeit (auch scherverzähende Flüssigkeit genannt) derart angrenzt, dass während der Hochgeschwindigkeitsumformung die schalenartig gebildeten Formabschnitte zumindest kurzzeitig weitgehend starr gegenüber der mechanischen Belastung aufgrund des Aufpralls des Bleches auf den schalenartig gebildeten Formabschnitten bei der Hochgeschwindigkeitsumformung des Bleches abgestützt sind. Bei derartigen dilatanten Flüssigkeiten handelt es sich in der Regel um Suspensionen kolloidaler Teilchen in Flüssigkeiten (fest in flüssig Gemischen), die auch als scherverzähende Flüssigkeiten bezeichnet werden. Diese beiden Begriffe werden im Weiteren als gleichbedeutend angesehen und entsprechend genutzt. Setzt man diese Flüssigkeiten einer hohen Schergeschwindigkeit oder einem schlagartigen Normalaufprall oder einer impulsartigen Belastung aus, so verzahnen sich die festen Teilchen untereinander, was zu einem reversiblen, plötzlichen, starken Ansteigen der Viskosität führt. So verhält sich die Flüssigkeit hinter den dünnen und dadurch relativ wenig belastbaren schalenartig gebildeten Formabschnitten während des Umformprozesses fast wie ein massiver Festkörper. Ordnet man nun in erfindungsgemäßer Weise ein Volumen der dilatanten Flüssigkeit gegenüberliegend zum umzuformenden Blech hinter den schalenartig gebildeten Formabschnitten an, so stützt dieses Volumen die an sich wegen ihrer dünnen Wandungen wenig belastbaren schalenartig gebildeten Formabschnitte gegenüber den Kräften aus der Hochgeschwindigkeitsumformung ab, die die dünnen schalenartig gebildeten Formabschnitte allein gar nicht mechanisch abfangen könnten. Dadurch ist es möglich, mit wenig Aufwand allein die formgebenden dünnen schalenartig gebildeten Formabschnitte herzustellen, z.B. durch additive Herstellungsverfahren, und die zum Abfangen der Umformungskräfte notwendige Stabilität und Festigkeit der Formabschnitte durch die an die Formabschnitte angrenzende dilatante Flüssigkeit zu gewährleisten, die sich bei der Hochgeschwindigkeitsumformung kurzzeitig wie ein starrer Körper verhält und die dünnen Formabschnitte stützt und stabilisiert. Damit kann auf einfache und dadurch kostengünstige Weise eine Trennung der Funktionen „Herstellen der Werkzeugform“ durch die dünnen schalenartig gebildeten Formabschnitte und „Stabilisierung der Werkzeugform während der Umformung“ durch die dilatante Flüssigkeit erfüllt werden. Dies stellt eine wesentliche Vereinfachung und Flexibilisierung sowie Kostenoptimierung der Erzeugung von Werkzeugformen für kleine Losgrößen dar, vermutlich ohne technische Einschränkungen hinsichtlich der Genauigkeit der Umformung hinnehmen zu müssen. Die Abstützung der dünnen schalenartig gebildeten Formabschnitte durch die dilatante Flüssigkeit ermöglicht bei der Hochgeschwindigkeitsumformung und der scherverzähenden Eigenschaften der dilatanten Flüssigkeit diese erfindungsgemäße Abstützung, die sonst nur durch dauerhaftes Hintergießen der Formabschnitte oder Fertigung der Formabschnitte aus massiven Festkörpermaterialien erreicht werden konnte.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die dilatante Flüssigkeit das dem Umformbereich gegenüberliegende Volumen hinter den schalenartig gebildeten Formabschnitten weitgehend vollständig ausfüllen. Hierdurch werden die schalenartig gebildeten Formabschnitte in Umformungsrichtung, also in Wirkrichtung der Umformungskraft und des Aufpralls des Bleches durch die Hochgeschwindigkeitsumformung, weitgehend vollständig und vollflächig durch die dilatante Flüssigkeit abgestützt und die durch die Umformung auf die Formabschnitte einwirkenden Kräfte kompensiert, ohne dass sich die Formabschnitte bei der Umformung des Bleches unzulässig selbst verformen. Dazu wird ein Volumen in Umformungsrichtung hinter den dünnen schalenartig gebildeten Formabschnitten weitgehend vollständig mit der dilatanten Flüssigkeit gefüllt und die dilatante Flüssigkeit z.B. durch umgebende Wandungen umgrenzt und an einem Austritt gehindert.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn die dilatante Flüssigkeit bei einer hohen Schergeschwindigkeit eine reversible, plötzliche, stark ansteigende Viskosität aufweist, bei quasistatischer Handhabung jedoch einfach umfüllbar ist. Derartige dilatante Flüssigkeiten verhalten sich unter dynamischen Lasten, also z. B. bei Werkstückaufprall auf das Werkzeug während der Umformung (bis zu rund 100 m/s), hochviskos nahezu wie eine lokale Festkörpersäule. Bei freiem Aufprall, d. h. mit freier Oberfläche an Luft, sind bereits Drücke von ca. 1 MPa (etwa 2 Größenordnungen über z. B. reinem Wasser) ohne Fluidpenetration übertragbar. Bei umhüllender Beschränkung durch Wände, wie es der Fall bei der vorliegenden Erfindung ist, konnten für eine beispielhafte Suspension aus 54 % Siliziumdioxid und Polyäthylenglykol bei Dehnraten bis ca. 10 000 1/s Drücke über 40 MPa bei einer Kompression von in diesem Fall ca. 10 % nachgewiesen werden. Dies entspricht einer mittleren Steifigkeit von über 400 MPa, die mit einer höheren Partikelkonzentration in der Suspension noch steigerungsfähig sein dürfte. Der Übergang zur aufprall-induzierten Fluidversteifung dauert wenige Mikrosekunden bis zu einer Dehnung von ca. 1,5 %. Vor und nach der Umformung kann die Flüssigkeit jedoch keine Normalkräfte übertragen, sie ist dann niedrigviskos und somit einfach handhabbar, d. h. flexibel wiederverwendbar. Die vorgenannten Kennwerte liegen im Bereich von Kunststoffen wie PTFE und PLA. Rein beispielhaft angegeben können als dilatante Flüssigkeit eine Suspension von Maisstärke in Wasser oder eine Suspension aus Siliziumdioxid und Polyäthylenglykol verwendet werden. Es sind selbstverständlich viele weitere derartige dilatante Flüssigkeitszusammensetzungen denkbar und von der Erfindung umfasst.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn die schalenartig gebildeten Formabschnitte mittels additiver Verfahren, vorzugsweise mittels 3D-Druck, hergestellt werden. Die Herstellung ist mittels beliebiger additiver Verfahren denkbar, sei es basierend auf Druckmaterialien aus Pulvern, Strängen oder sonstiger Konfektionierung. Als Materialien können vornehmlich Kunststoffmaterialien als auch metallische Materialien oder Kombinationen davon verwendet werden.
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Weiterhin ist es in vorteilhafter Ausgestaltung denkbar, dass die bei der additiven Herstellung der schalenartig gebildeten Formabschnitte benötigten Stützstrukturen an den Formabschnitten verbleiben oder zusätzliche Stützstrukturen vorsehbar sind, und die Formabschnitte relativ zu der dilatanten Flüssigkeit, vorzugsweise gegenüber dem Gravitationseinfluss der dilatanten Flüssigkeit, formstabil halten. Hierdurch wird ohne zusätzliche Bauteile oder nachträglich angebrachte Abstützungen dafür gesorgt, dass die Formabschnitte sich im Ausgangszustand vor der Umformung des Bleches nicht unzulässig verformen, etwa aufgrund des Gewichtes der dilatanten Flüssigkeit. Selbstverständlich ist es auch denkbar, zusätzliche Stützstrukturen schon bei der additiven Herstellung vorzusehen, die im Wesentlichen nur für die spätere Abstützung gegenüber unzulässigen Verformungen genutzt werden können, oder nur für die additive Herstellung benötigte Stützstrukturen nach der additiven Herstellung zu entfernen. Weiterhin ist es denkbar, zumindest einzelne Stützstrukturen derart, vorzugsweise hohl, auszubilden, dass sie eine Evakuierung der Kavität zwischen unverformtem Blech und schalenartig gebildeten Formabschnitten während der Umformung ermöglichen. Das dort typischerweise durch das sich umformende Blech verdrängte Luftvolumen zwischen Blech und der Form aus den schalenartig gebildeten Formabschnitten würde ohne derartige Maßnahmen eine Art abgeschlossenes Luftpolster zwischen Blech und Formabschnitten bilden, das die Genauigkeit der umgeformten Blechform beeinträchtigen könnte. Daher wird, wenn zulässig, entweder durch entsprechend plazierte oder ohnehin vorhandene Löcher in dem Blech oder durch die vorstehende, bei der additiven Formgebung der Stützstrukturen berücksichtigte, z.B. hohle Ausgestaltung, dafür gesorgt, dass das Luftvolumen zwischen Blech und der Form während der Umformung entweichen kann.
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Von Vorteil ist es, wenn die schalenartig gebildeten Formabschnitte als Druckübertragungsschicht zwischen umgeformten Blech und dilatanter Flüssigkeit eine hohe Schlagzähigkeit aufweisen. Die Höhe der Schlagzähigkeit hängt hierbei von der gewählten Art der Hochgeschwindigkeitsumformung, der umzuformenden Oberflächentopographie des Blechs und weiteren Faktoren ab und kann vom Fachmann entsprechend der Lehre der Erfindung angepasst werden.
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Von Wichtigkeit ist es weiterhin, dass die dilatante Flüssigkeit von den schalenartig gebildeten Formabschnitten sowie angrenzenden Wandungen des Umformwerkzeugs umschlossen ist und dadurch bei der Hochgeschwindigkeitsumformung nicht gegenüber den von den Formabschnitten auf die dilatante Flüssigkeit ausgeübten Kräften ausweichen kann. Hierfür wird die dilatante Flüssigkeit in ein etwa topfartig aus Wandungen gebildetes Volumen eingefüllt, das öffnungsseitig von den schalenartig gebildeten Formabschnitten abgeschlossen wird und wobei die dilatante Flüssigkeit dieses Volumen weitgehend vollständig ausfüllt. Damit können die auf die schalenartig gebildeten Formabschnitte wirkenden Kräfte der Hochgeschwindigkeitsumformung durch die Eigenschaften der dilatanten Flüssigkeit sicher abgestützt werden.
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In weiterer Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass zumindest Abschnitte der die dilatante Flüssigkeit umschließenden Wandungen des Umformwerkzeugs derart z.B. nach außen federnd gelagert sind, dass die federnde Lagerung eventuell notwendige Volumenkompensationen der dilatanten Flüssigkeit bei der Umformung ermöglicht.
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Weiterhin ist es denkbar, dass eine Werkstückeinspannvorrichtung vorsehbar ist, mit der das unverformte Blech gegenüber den schalenartig gebildeten Formabschnitten positioniert und gehalten wird. Hierdurch wird eine genaue Zuordnung von unverformtem Blech und der aus den schalenartig gebildeten Formabschnitten erzeugten Werkzeugform gewährleistet und bei der Hochgeschwindigkeitsumformung aufrecht erhalten.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Hochgeschwindigkeitsumformen von Blechen, bei dem das Umformwerkzeug zumindest bereichsweise aus dünnen schalenartig gebildeten Formabschnitten gebildet wird, die zumindest einen Teil der Oberfläche der Werkzeugform bilden. Hierbei stützt in Umformungsrichtung hinter den dünnen schalenartig gebildeten Formabschnitten zumindest abschnittsweise mindestens ein Volumen einer dilatanten Flüssigkeit während der Hochgeschwindigkeitsumformung die dünnen schalenartig gebildeten Formabschnitte zumindest kurzzeitig weitgehend starr gegenüber der mechanischen Belastung aufgrund der Hochgeschwindigkeitsumformung des Bleches ab. Die Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens sind vorstehend zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert worden, und es wird hierauf vollumfänglich Bezug genommen. Wichtig hierbei ist es, dass die dilatante Flüssigkeit sich bei dem für die Formgebung notwendigen Aufprall des Bleches auf den dünnen schalenartig gebildeten Formabschnitten schlagartig wie ein Festkörper verhält und die dünnen schalenartig gebildeten Formabschnitte temporär gegenüber der mechanischen Belastung durch die Umformung abstützt.
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In weiterer Ausgestaltung können bei der Umformung Fluidstauchungen der dilatanten Flüssigkeit auftreten, wodurch die dilatante Flüssigkeit etwa kinetische Aufprallenergie dissipieren und Rücksprungeffekte des umgeformten Bleches verhindern oder vermindern kann. Weiterhin können derartige Fluidstauchungen der dilatanten Flüssigkeit die Einbringung von Vibrationen aus der Umformung in umgebende Maschinenteile dämpfen.
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Von besonderem Vorteil ist es, dass die dilatante Flüssigkeit nach der Umformung wiederverwendet werden kann.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt beispielhaft die Zeichnung.
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Es zeigen:
- 1 - eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung.
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In der 1 ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 als Querschnitt in der Ausgangssituation dargestellt. Die dünnen schalenartig gebildeten Formabschnitte 1 bilden die Negativform der herzustellenden Bauteilgeometrie ab, also die Form, in die das unverformte Blech 6 umgeformt werden soll. Zudem fungieren die Formabschnitte 1 als Druckübertragungsschicht, weshalb sie eine verhältnismäßig hohe Schlagzähigkeit aufweisen sollten. Die Formabschnitte 1 werden als dünnwandiges schalenartiges Bauteil vorzugsweise additiv gefertigt, z. B. mittels Stereolithografie. Bei der additiven Herstellung der Formabschnitte 1 können dabei ohnehin benötigte Stützstrukturen 2 erhalten bleiben und weiter zur Stabilisierung der Formabschnitte 1 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden oder auch so gewählt bzw. ausgestaltet werden, dass die vorgesehene Stabilisierung erfolgt. Die Anzahl und Anordnung der Stützstrukturen 2 kann dabei anwendungsspezifisch angepasst werden. Bei Bedarf können die Stützstrukturen 2 verstärkt und mit durchgehend hohlen Innenbereichen 3 ausgebildet werden, um eine ggf. nötige Luftevakuierung der Kavität 11 zwischen Blech 6 und Formabschnitten 1 zu gewährleisten. Die Stützstrukturen 2 werden dabei so an der Deckelplatte 9 befestigt, dass positive z-Verschiebungen der Stützstrukturen 2 relativ zu der Deckelplatte 9 möglich sind. Die Stützstrukturen 2 stellen weiterhin sicher, dass die schalenartig gebildeten Formabschnitte 1 unter Gravitationseinfluss (negative z-Richtung) des scherverzähenden Fluids 4 formstabil bleibt.
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Hinter den Formabschnitten 1 und umgrenzt von den Wandungen 7 und der Deckelplatte 9 befindet sich eine dilatante Flüssigkeit 4, die dieses umgrenzte Volumen weitgehend vollständig ausfüllt. Durch impulsartige Druckbelastung 5 des ggf. mit Löchern 10 zur Entlüftung der Kavität 11 vorgelochten Blechs 6 wird dieses durch Kräfte 5 eines der genannten Hochgeschwindigkeitsverfahren plastisch umgeformt (in positive z-Richtung). Bei dem für die Formgebung notwendigen Aufprall des Blechs 6 auf den Formabschnitten 1 der Werkzeugform verhält sich die dilatante Flüssigkeit 4 charakteristischerweise schlagartig wie eine Festkörpersäule und stützt die Formabschnitte 1 somit temporär ab.
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Diese dilatanten Flüssigkeiten 4 verhalten sich unter dynamischen Lasten, also z. B. bei Werkstückaufprall auf die Formabschnitte 1 des Werkzeugs während der Umformung (bis zu rund 100 m/s), hochviskos nahezu wie eine lokale Festkörpersäule. Bei umhüllender Beschränkung durch Wände 7, 9, wie es der Fall bei der vorliegenden Erfindung ist, konnten aus der Literatur für eine Suspension aus 54 % Siliziumdioxid und Polyäthylenglykol bei Dehnraten bis c. a. 10 000 1/s Drücke über 40 MPa bei einer Kompression von c. a. 10 % nachgewiesen werden. Dies entspricht einer mittleren Steifigkeit von über 400 MPa, die mit einer höheren Partikelkonzentration noch steigerungsfähig ist. Der Übergang zur aufprall-induzierten Fluidversteifung dauert wenige Mikrosekunden bis zu einer Dehnung von c. a. 1,5 %. Vor und nach der Umformung kann die dilatante Flüssigkeit 4 jedoch keine Normalkräfte übertragen, sie ist dann niedrigviskos und somit einfach handhabbar, d. h. flexibel wieder verwendbar.
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Als etablierte industrielle Anwendung dilatanter oder scherverzähender Flüssigkeiten 4 sind bisher vor allem Schutzbekleidungen für den Freizeit- oder Militärbereich bekannt. Die Nutzbarmachung solcher scherverzähender Flüssigkeiten 4 mit überproportionaler Viskositätszunahme bei quasi-instantan hohen Dehnraten als temporär festkörperartige Werkzeugabstützung in der Umformtechnik ist somit gänzlich neu und ermöglicht potenziell signifikante Werkzeugmaterial- und Zeiteinsparungen sowie eine Wiederverwendbarkeit von Werkzeugmaterialien gegenüber den existierenden Ansätzen des Rapid Tooling und Manufacturing, insbesondere für das dargestellte Beispiel aus dem Bereich der Medizintechnik, wobei ausdrücklich viele weitere Anwendungsbereiche und auch andere Branchen möglich sind.
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Bei der Hochgeschwindigkeitsumformung des Bleches 6 und durch die Abstützung der Formelemente 4 durch die dilatante Flüsssigkeit können auch Fluidstauchungen der dilatanten Flüssigkeit 4 auftreten können. Dies kann einen positiven Effekt haben, weil auf diese Weise kinetische Aufprallenergie dissipiert wird und somit Rücksprungeffekten, wie sie bei quasi-starren Werkzeugen in der Hochgeschwindigkeitsumformung auftreten können, vorgebeugt werden kann. Ein positiver Nebeneffekt dabei ist, dass so auch die Einbringung von Vibrationen in umgebende Maschinenteile gedämpft wird. Da die dilatante Flüssigkeit 4 global inkompressibel und von angrenzenden Festkörperflächen 1, 7, 9 umhüllt ist, können die Wandungen 7 optional nach außen federnd gelagert werden, um ggf. notwendige Volumenkompensationen zu ermöglichen. Je nach umformtechnischer Verfahrensvariante kann auch eine Werkstückeinspannung 8 für das Blech 6 vorgesehen werden.
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Vornehmliche Motivation für die Erfindung ist die Einsparung von Zeit, Material und somit auch Kosten für Werkzeuge für die Hochgeschwindigkeitsblechumformung. Dabei wird erfindungsgemäß ein Großteil des normalerweise notwendigen Festkörpermaterials eines Werkzeuges durch eine dilatante oder scherverzähende Flüssigkeit 4 in einer formgebenden, dünnen Schale in Form der Formabschnitte 1 substituiert. Bei dem verfahrenstypischen Werkstückaufprall auf diese Formabschnitte 1, die vorzugsweise generativ aus Kunststoff gefertigt werden, verhält sich die scherverzähende Flüssigkeit 4 kurzzeitig wie ein Festkörper, um die dynamischen Reaktionskräfte während der Umformung abzustützen. Die Flüssigkeit 4 kann anschließend für andere Bauteilgeometrien wiederverwendet werden, da sie unter quasi-statischen Normalbedingungen niedrigviskos und somit einfach umfüllbar ist. Dies ist vorteilhaft für Anwendungen mit niedrigen Stückzahlen oder Prototypen, d. h. wenn eine konventionelle Umformung samt Werkzeugfertigung, wie etwa beim Tiefziehen, Streckziehen oder Gesenkbiegen, unwirtschaftlich erscheint. Einige, nur beispielhafte Anwendungen sind etwa individuelle Blechbauteile mit niedrigen Stückzahlen und kurzer Lieferzeit, insbesondere für die Medizintechnik (patientenspezifische Implantate), weiterhin künstlerisch orientierte Blechformteile, z. B. in der Architektur.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- dünne schalenartig gebildete Formabschnitte 1
- 2
- Stützstrukturen
- 3
- hohle Öffnungen
- 4
- dilatante Flüssigkeit
- 5
- Kräfte aus Hochgeschwindigkeitsumformung
- 6
- umzuformendes Blech
- 7
- Wandungen
- 8
- Werkstückhalter oder Werkstückeinspannung
- 9
- Deckel
- 10
- Lochungen Blech
- 11
- Kavität
- 12
- Umformrichtung
