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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines umgeformten Blechteils, ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens und ein Blechteil, das nach einem solchen Verfahren hergestellt ist.
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Stand der Technik
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Verfahren zur Herstellung von umgeformten Blechteilen, Werkzeuge zur Umformung von Blechteilen und Blechteile, die durch Umformen hergestellt sind, sind allgemein bekannt. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel das Hochdruckumformen, auch Hydro-Forming genannt.
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Das Umformwerkzeug umfasst beim Hydro-Forming eine Matrize mit zumindest einer Vertiefung, wobei die Matrize der Negativform des damit umgeformten Blechteils entspricht.
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Beim Hydro-Forming gelangen sehr hohe Drücke von bis zu mehreren Tausend bar zur Anwendung, so dass die dabei verwendete Matrize diesen hohen Drücken standhalten und deshalb besonders haltbar sein muss. Eine solche Matrize wird üblicherweise aus metallischen Werkstoffen durch spanende Fertigungsverfahren hergestellt. Das Verfahren zur Herstellung einer solchen Matrize ist aufwendig und teuer, insbesondere dann, wenn die Matrize Vertiefungen mit komplizierten und/oder feinen Geometrien aufweisen soll.
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Im Anschluss an die spanende Fertigung der Matrize benötigt diese häufig noch ein Oberflächenfinish und eine Nachbearbeitung speziell der Funktions-/ Dichtflächen. Durch ein solches Oberflächenfinish und eine solche Nachbearbeitung verteuert sich die Matrize weiter.
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Insbesondere in technischen Gebieten, in denen zur Auslegung von Bauteilen eine Vielzahl von Prototypen hergestellt werden muss, wobei für jeden Prototyp ein neues Werkzeug benötigt wird, sind derart hergestellte Matrizen aus Kostengründen wenig zufriedenstellend.
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Insbesondere seit 3D-Drucker verfügbar sind, kann das sogenannte „rapid tooling“ zur kostengünstigen Herstellung von Werkzeugen zur Anwendung gelangen.
Die dadurch hergestellten Werkzeuge, die jedoch stets nur eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen, sind deshalb für den Einsatz in Hydro-Forming-Fertigungsverfahren nicht geeignet.
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Außerdem ist das Fertigungsverfahren „Maschinelles Oberflächenhämmern“ bekannt. Das maschinelle Oberflächenhämmern ist ein Fertigungsverfahren zur mechanischen Oberflächenbehandlung metallischer Werkstoffe. Das maschinelle Oberflächenhämmern wird ausschließlich zur Einglättung und Verfestigung metallischer Oberflächen durch hochfrequente Schläge mittels eines Hammerwerkzeugs benutzt, beispielsweise um Schweißnähte nachzubearbeiten.
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Beim maschinellen Oberflächenhämmern ist entscheidend, dass stets nur die Randschicht des zu bearbeitenden Bauteils, auf die das Hammerwerkzeug auftrifft, umgeformt - im Sinne von eingeglättet und verfestigt - wird.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines umgeformten Blechteils, ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens und ein Blechteil, das nach einem solchen Verfahren hergestellt ist, zu zeigen. Das Verfahren soll durch ein einfaches Werkzeug prozesssicher, einfach und kostengünstig durchführbar sein. Umgeformte Blechteil-Prototypen sollen in unterschiedlicher Ausgestaltung einfach und kostengünstig herstellbar sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1, ein Werkzeug nach Anspruch 9 und ein Blechteil nach Anspruch 15 gelöst. Auf vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nehmen die auf Anspruch 1, auf vorteilhafte Ausgestaltungen des Werkzeugs die auf Anspruch 9 und auf vorteilhafte Ausgestaltungen des Blechteils die auf Anspruch 15 rückbezogenen Ansprüche Bezug.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren zur Herstellung eines umgeformten Blechteils vorgesehen, wobei ein umzuformendes Blechteil durch maschinelles Hämmern mittels eines Hammerwerkzeugs makroskopisch umgeformt wird. Wie eingangs bereits beschrieben, wird maschinelles Oberflächenhämmern ausschließlich zur Einglättung und Verfestigung metallischer Oberflächen durch hochfrequente Schläge mittels eines Hammerwerkzeugs benutzt, beispielsweise um Schweißnähte nachzubearbeiten. Dabei wird stets nur die Randschicht des zu bearbeitenden Bauteils, auf die das Hammerwerkzeug auftrifft, umgeformt, im Sinne von eingeglättet und verfestigt.
Die Höhe der durch Oberflächenhämmern umgeformten und verfestigten Randschicht beträgt üblicherweise 0,5 mm bis 5 mm. Die Bereiche unterhalb der umgeformten Randschicht werden beim Oberflächenhämmern nicht verändert.
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Für eine makroskopischen Umformung von Blechteilen, wie beispielsweise dem Einbringen kanalförmiger Vertiefungen in ein Blechteil, wird maschinelles Oberflächenhämmern nicht benutzt.
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Erfindungsgemäß ist demgegenüber ein Verfahren vorgesehen, das maschinelles Hämmern umfasst, um ein Blechteil mit einer funktionalen Oberflächenstruktur herzustellen, beispielsweise mit einer kanalförmigen Vertiefung. Die Tiefe einer kanalförmigen Vertiefung in einem 0,1 mm dicken Blech, die durch Hämmern hergestellt wird, beträgt beispielsweise 0,5 mm.
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Beim Hämmern erfolgt - im Gegensatz zum Oberflächenhämmern - eine Umformung des Blechteils über seine gesamte Bauteildicke.
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Maschinelles Hämmern ist ein inkrementelles Verfahren, bei dem mit niedrigen Kräften und deshalb niedriger Werkzeugbelastung gearbeitet wird. Die zur Anwendung gelangenden Werkzeuge, sind kostengünstig, sodass dieses Verfahren besonders geeignet ist, auch kleine Stückzahlen, wie zum Beispiel Prototypen, kostengünstig herzustellen.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das umzuformende Blechteil in einem ersten Verfahrensschritt über eine mit zumindest einer ersten Vertiefung versehenen Matrize aufgespannt wird und wobei in einem zweiten Verfahrensschritt das umzuformende Blechteil über der ersten Vertiefung durch das maschinelle Hämmern mittels des Hammerwerkzeugs zur Herstellung einer makroskopischen zweiten Vertiefung im umzuformenden Blechteil in die Vertiefung der Matrize eingehämmert wird. Die erste Vertiefung in der Matrize und die zweite Vertiefung im umgeformten Blechteil sind kongruent zueinander. Das Hämmern bildet ein prozesssicher durchzuführendes und kostengünstiges Verfahren zur makroskopischen Umformung von Blechteilen.
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In Abhängigkeit vom Material, aus dem das umzuformende Blechteil besteht, und in Abhängigkeit von der Dicke des umzuformenden Blechteils, kann das umzuformende Blechteil über der ersten Vertiefung mittels des Hammerwerkzeugs ein- oder mehrstufig vollständig in die erste Vertiefung eingehämmert werden. Ein mehrstufiges Einhämmern kann dabei entweder durch mehrere Umformdurchgänge oder durch eine mehrteilig ausgebildete und stufenweise funktionierende Hammerspitze des Hammerwerkzeugs erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass das umzuformende Blechteil im ersten Verfahrensschritt mit biaxialer Zugspannung über der ersten Vertiefung aufgespannt wird. Durch die Aufspannung des Blechteils mit biaxialer Zugspannung über der ersten Vertiefung der Matrize kann die Umformung des Blechteils besonders maßhaltig durchgeführt werden. Durch die Aufspannung mit biaxialer Zugspannung wird die Gefahr einer Faltenbildung im Blechteil verringert. Auch werden die Kräfte verringert, mit denen das Hammerwerkzeug das Blech in die erste Vertiefung der Matrize einhämmern muss.
Die Größe der Zugspannung wird so gewählt, dass die Fließgrenze des Werkstoffs auch bei superponierter Belastung durch biaxiale Zugspannungen nicht überschritten wird. Neben der Abhängigkeit dieser Größe von der Werkstoffcharakteristik ist vor allem die Geometrie, insbesondere die Blechdicke, als entscheidender Faktor anzusehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass in einem dem ersten Verfahrensschritt vorangehenden Verfahrensschritt die Matrize mit der ersten Vertiefung in einem 3D-Druckverfahren hergestellt wird. Hierbei ist von Vorteil, dass es einer kostenaufwändigen, spanenden Herstellung einer Matrize nicht bedarf. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die im 3D-Druckverfahren hergestellte Matrize mit dem Herstellungsverfahren aus dem zweiten Verfahrensschritt korrespondiert, insbesondere dass im zweiten Verfahrensschritt ein Verfahren zur Anwendung gelangt, für das die im 3D-Druckverfahren hergestellte Matrize eine ausreichende Widerstandsfähigkeit aufweist.
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Im zweiten Verfahrensschritt könnte folglich nicht ein Hydro-Forming-Verfahren, wie eingangs beschrieben, zur Anwendung gelangen.
Auch durch die kostengünstige Fertigung von Matrizen im 3D-Druckverfahren können unterschiedliche, umgeformte Prototypen-Blechteile kostengünstig hergestellt werden.
Das maschinelle Hämmern im zweiten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gut geeignet, mit der im 3D-Druckverfahren hergestellten Matrize zu korrespondieren. Die mechanischen Belastungen, die beim maschinellen Hämmern mit dem Hammerwerkzeug beim Einhämmern des Blechteils in die erste Vertiefung entstehen, kann eine im 3D-Druckverfahren hergestellte und deshalb an sich wenig feste Matrize gut aufnehmen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Matrize im ersten Verfahrensschritt aus einem thermoplastischen Werkstoff hergestellt wird.
Ein solcher thermoplastischer Werkstoff kann beispielsweise Polylactide (PLA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) sein.
Diese Werkstoffe sind kostengünstig verfügbar und im 3D-Druckverfahren einfach und prozesssicher zu verarbeiten.
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Die Vertiefung in der Matrize kann kanalförmig hergestellt werden. Auch kompliziertere und/oder feinere Geometrien lassen sich im 3D-Druckverfahren kostengünstig herstellen.
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Die Vertiefung kann mäanderförmig hergestellt werden. Mit einer kanal- und mäanderförmig hergestellten Vertiefung können Bipolarplatten für Brennstoffzellen hergestellt werden.
In einem solchen Anwendungsfall kann der Kanal zum Beispiel eine Tiefe und eine Breite von jeweils etwa 0,5 mm haben.
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Je komplizierter und je feiner die Geometrie der Vertiefung ist, desto relativ kostengünstiger ist eine solche Matrize, bezogen auf eine spanende Fertigung einer Matrize, herstellbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut für die kostengünstige Fertigung von Prototypen geeignet.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein maschinelles Hämmer-Werkzeug zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens, umfassend das Hammerwerkzeug mit einer Hammerspitze, die im Wesentlichen kongruent zu der in das umzuformende Blechteil einzuhämmernden, makroskopischen zweiten Vertiefung ausgebildet ist.
Die Hammerspitze kann, in Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten des Anwendungsfalles, einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
Eine mehrteilig ausgebildet Hammerspitze übernimmt zusätzlich zur Umformung auch die Funktion des Niederhaltens.
Dazu kann es vorgesehen sein, dass die Hammerspitze durch zumindest eine Feder vorgespannt ist.
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Das Hammerwerkzeug umfasst einen Hammerkopf, der eine makrostrukturierte Hammerspitze aufweist und an die Geometrie der Vertiefung in der Matrize angepasst ist. Der Hammerkopf bildet also die Zielgeometrie der Vertiefung ab. Beim Hämmern handelt es sich um ein Verfahren der inkrementellen Blechumformung. Dabei können die zur Anwendung gelangenden Hammerköpfe rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Auch orientierte Hammerköpfe mit Vorzugsrichtung, die zum Beispiel stufenförmig ausgebildet sind, können zur Anwendung gelangen. Dabei können die Hammerköpfe mehrteilig sein, beispielsweise durch Federn vorgespannt, um in Abhängigkeit der Schlagenergie unterschiedliche, mehrstufige Operationen in einem Hub auszuführen.
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Hämmern beschreibt den Einsatz automatisierter Manipulatoren als Handling-Systeme für die Hämmerwerkzeuge und ist als Technologie so in der VDI-Richtlinie 3416 definiert.
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Durch die im Vergleich zum Hydro-Forming nur geringen mechanischen Belastungen, die durch das maschinelle Hämmern entstehen, ist eine kostengünstige, prozesssichere und schnelle Herstellung von Matrizen im 3D-Druckverfahren für die Umformung von Blechteilen gut geeignet.
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Beim pneumatischen Hämmern beträgt die Bearbeitungsfrequenz der Hammerspitze bevorzugt 100 bis 140 Hz bei 7 bis 9 bar Bearbeitungsdruck auf die Hammerspitze. Bei diesen Verfahrensparametern ist die mechanische Beanspruchung der Matrize während des Umformvorgangs üblicherweise in einem unkritischen Bereich.
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Der Vorschub des Hammerwerkzeugs beträgt bevorzugt 15 bis 25 mm pro Minute.
Der Vorschub ist so gewählt, dass die jeweiligen Eindrücke den gewünschten Abstand aufweisen. Bei einer hohen Überlappung der Eindrücke wird die Hammerkopfgeometrie gut abgebildet.
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Es versteht sich von selbst, dass die zuvor genannten Parameter von den jeweiligen Gegebenheiten des Anwendungsfall abhängig sind.
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Die genannte Bearbeitungsfrequenz, der genannte Bearbeitungsdruck und der genannte Vorschub wirken jedoch besonders günstig zusammen, wenn es sich bei dem umgeformten Blechteil um eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle handelt. Die kanalförmigen und mäanderförmigen Vertiefungen in der Bipolarplatte lassen sich dadurch maßhaltig und kostengünstig herstellen.
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Anstelle eines pneumatischen Systems können für das Hämmern auch mechanische oder elektromagnetische Systeme verwendet werden.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Blechteil, hergestellt nach dem zuvor beschriebenen Verfahren, wobei das Blechteil als Bipolarplatte einer Brennstoffzelle ausgebildet ist.
Die Bipolarplatte kann einen mäanderförmigen Kanal aufweisen.
Insbesondere im Brennstoffzellenbau ist für die Auslegung der Brennstoffzelle häufig die Herstellung von unterschiedlichen Bipolarplatten-Prototypen erforderlich, die voneinander abweichende Geometrien aufweisen.
Um solche Prototypen wirtschaftlich kostengünstig herstellen zu können, ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut geeignet.
Die teure und aufwendige Herstellung von Matrizen durch spanende Fertigungsverfahren inklusive Oberflächenfinish und Nachbearbeitung der Funktions- bzw. Dichtflächen, ist durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht erforderlich. Stattdessen kann die additive Fertigung zur Anwendung gelangen, nämlich ein 3D-Druck zur Herstellung der Matrize für das Umformwerkzeug und eine anschließende mechanische Einformung/Umformung in Form des maschinellen Hämmerns.
Die Entwicklung neuer Bipolarplatten und damit die Entwicklung der gesamten Brennstoffzelle ist dadurch wesentlich kostengünstiger und schneller als bisher.
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Das Blechteil kann aus einem Edelstahl bestehen. Edelstahl ist üblicherweise nicht so einfach umformbar, wie ein einfaches Stahlblech, zum Beispiel wegen der Rückfedereigenschaften von Edelstahl und weil Edelstahl häufig spröder als ein einfaches Stahlblech ist. Trotzdem ist es durch das zuvor beschriebene Verfahren prozesssicher umformbar.
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Das Blechteil kann eine Dicke von im Wesentlichen 0,1 mm aufweisen. Blechteile mit einer solchen Dicke lassen sich mittels des eingangs beschriebenen Verfahrens umformen. Die Blechteile können beschichtet sein.
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Figurenliste
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Die 1 bis 4 zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
- 1 ein Formteil eines Umformwerkzeugs, eine Matrize, hergestellt durch additive Fertigung (3D-Druck),
- 2 eine Einzelheit aus 1 in vergrößerter Darstellung,
- 3 eine Rahmengeometrie zur Herstellung eines Blechteils als Ausführung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle,
- 4 Hammerköpfe zur Makrostrukturierung eines Blechteils in unterschiedlichen Ausführungen, rotationsymmetrisch, orientiert, mehrstufig und mehrfachwirkend.
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Ausführung der Erfindung
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In 1 ist ein Formteil eines Umformwerkzeugs gezeigt. Die Matrize 5 besteht aus einem thermoplastischen Werkstoff und weist eine erste Vertiefung 4 auf.
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Die erste Vertiefung 4 ist kanal- und mäanderförmig ausgebildet.
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In 2 ist der Ausschnitt X aus 1 in vergrößerter Darstellung gezeigt. Zu erkennen ist die Geometrie der kanalförmigen ersten Vertiefung 4, die einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt hat.
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In 3 ist das durch das Verfahren hergestellte, umgeformte Blechteil 1 gezeigt. Das umgeformte Blechteil 1 besteht aus Edelstahl und ist als Bipolarplatte 11 einer Brennstoffzelle ausgebildet. Die Bipolarplatte 11 hat eine der ersten Vertiefung 4 der Matrize 5 im Wesentlichen entsprechende zweite Vertiefung 6, die als mäanderförmiger Kanal 12 ausgebildet ist.
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Die Rahmengeometrie wird ist durch maschinelles Hämmern aus dem umzuformenden Blechteil 2 umgeformt, wobei in einem dem ersten Verfahrensschritt vorangehenden Verfahrensschritt die Matrize 5 aus 1 mit der kanal- und mäanderförmigen ersten Vertiefung 4 in einem 3D-Druckverfahren hergestellt wird.
Im ersten Verfahrensschritt wird das umzuformende Blechteil 2 mit biaxialer Zugspannung 7 über der Matrize 5 aufgespannt. Im zweiten Verfahrensschritt wird das umzuformende Blechteil 2 über der ersten Vertiefung 4 durch maschinelles Hämmern mit dem Hammerwerkzeug 3, das zum Beispiel gemäß 4 ausgebildet sein kann, in die erste Vertiefung 4 der Matrize 5 eingehämmert.
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Die Bearbeitungsfrequenz der Hammerspitze 8 des Hammerwerkzeugs 3, das in 4 dargestellt ist, beträgt im hier gezeigten Ausführungsbeispiel 120 Hz bei 8 bar Bearbeitungsdruck auf die Hammerspitze 8. Der Vorschub der Hammerspitze 8 beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel 20 mm pro Minute.
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In 4 sind Hammerköpfe entsprechend den 4a bis 4f gezeigt.
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In 4a ist ein erstes Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Hammerkopf weist eine Hammerspitze 8 in Form einer rotationssymmetrischen Makrospitze auf.
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In den 4b und 4c ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt. In 4b ist der Hammerkopf in einer Seitenansicht, in 4c in einer Vorderansicht gezeigt. Die Hammerspitze 8 ist orientiert.
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In 4d ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Hammerkopfs in einer Seitenansicht gezeigt. Die Hammerspitze 8 ist orientiert in Stufenform ausgebildet.
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In den 4e und 4f ist ein viertes Ausführungsbeispiel eines Hammerkopfs gezeigt. In 4e ist eine Vorderansicht, in 4f ein Schnitt dargestellt. Der Hammerkopf ist rotationssymmetrisch ausgebildet und mehrfachwirkend.
Der Hammerkopf des Hammerwerkzeugs 3 umfasst, wie in 4f dargestellt, Federn 9.
Die Hammerspitze 8 ist in diesem Fall durch Federn 9 vorgespannt. Der Hammerkopf des Hammerwerkzeugs 3 (4e/4f) wird für einen mehrfachwirkenden Prozess eingesetzt. In einer ersten Stufe hat der Hammerkopf die Funktion eines Niederhalters 13 und hält das umzuformende Blechteil 2 über der ersten Vertiefung 4 der Matrize 5. In einer zweiten Stufe erfolgt dann die Umformung des umzuformenden Blechteils 2 über seine gesamte Bauteildicke. Die zweite Vertiefung 6 des umgeformten Blechteils 1 wird in die erste Vertiefung 4 eingehämmert.
