DE102022106549B4 - Verfahren zur dreidimensionalen Umformung eines ebenen Vorgeleges - Google Patents

Abstract

Verfahren zur dreidimensionalen Umformung eines ebenen Vorgeleges (2a) unter Anwendung eines Umformwerkzeugs mit einem Druckstück (1), welches einen ebenen oder leicht gewölbten Teilbereich (1a) und zumindest einen Umformbereich (1b) aufweist, der in mindestens zwei Richtungen gekrümmt ist, wobei, bezogen auf eine erste Krümmungsrichtung, der Teilbereich (1a) radial weiter innen als der Umformbereich (1b) positioniert ist, und wobei sich eine äußere radiale Ausdehnung des Vorgeleges (2) durch Anpressen des Vorgeleges (2) an den in zwei Richtungen gekrümmten Umformbereich (1b) von einer äußeren radialen Ausgangsausdehnung (R+) auf eine äußere radiale Endausdehnung (R0) verkürzt, und wobei das Anpressen des Vorgeleges (2) an den Umformbereich (1b) unter Anwendung eines ringförmigen Umformteils (5) aus elastischem Material erfolgt, welches einen kürzeren inneren Ringrand (5b) und einen längeren äußeren Ringrand (5a) aufweist, umfassend die Schritte:a) Platzierung des ebenen Vorgeleges (2a) über dem Druckstück (1) und Anpressen auf den Teilbereich (1a);b) Aufstellung des ringförmigen Umformteils (5) in einem konischen Zustand, bei dem eine Fläche zwischen dem inneren Ringrand (5b) und dem äußeren Ringrand (5a) des Umformteils (5) als eine in einem Winkel (α) geneigte Mantelfläche (5c) ausgerichtet ist, und der kürzere innere Ringrand (5b) über dem Umformbereich (1b) des Druckstücks (1) derart positioniert wird, dass er in einem Übergangsbereich vom Teilbereich (1a) zum Umformbereich (1b) das Vorgelege (2) am Druckstück (1) anpresst;c) Aufspreizen des konisch aufgestellten ringförmigen Umformteils (1) unter Vergrößerung des äußeren Ringrandes (5a) von einem kleineren äußeren Umfang auf einen größeren äußeren Umfang unter Vergrößerung der Auflage- und Anpressfläche des ringförmigen Umformteils (5) auf dem Vorgelege (2) durch Verkleinerung des Winkels (α) der Neigung der Mantelfläche (5c) des Umformteils (5).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Umformung eines ebenen Vorgeleges unter Anwendung eines Umformwerkzeugs mit einem Druckstück sowie eines Umformteils aus elastischem Material.
• Bauteile, die Bereiche aufweisen, die mindestens in zwei Richtungen gekrümmt sind, können durch Verfahren erhalten werden, bei denen aus mehreren Lagen gebildete ebene Vorgelege, auch Preform genannt, zum Beispiel als Laminat oder als mit Reaktionsharzen vorimprägniertes textiles Faser-Matrix-Halbzeug (Prepreg) auf ein entsprechend geformtes Umform- beziehungsweise Aushärtungswerkzeug aufgebracht werden. Die einzelnen ebenen Vorgelege werden auf ein Druckstück des Umform- und Aushärtungswerkzeugs positioniert und zunächst in Bereichen festgedrückt, die eben oder nur leicht, meist konvex, gewölbt sind und in denen darüber hinaus keine dreidimensionale Umformung vorgesehen ist. Nun erfolgt eine dreidimensionale Drapierung der ebenen Lagen auf entsprechend der gewünschten Umformung dreidimensional geformte Bereiche des Druckstücks des Umform- und Aushärtungswerkzeugs. Ein solches Verfahren findet zum Beispiel Anwendung bei der Herstellung eines sogenannten Blind Panels, eines schalenförmigen Bauteils zur Abdeckung von Fenstern an Stellen in einem Flugzeug, an denen kein Sitzplatz vorgesehen ist. Ein radial innen liegender Bereich des Blind Panels ist im Wesentlichen eben ausgebildet, und ein radial außen liegender Bereich, der an den innen liegenden Bereich angrenzt und ihn umgibt, ist über den gesamten Umfang dreidimensional umgeformt.
• Die Drapierung erfolgt dabei in der Regel händisch mit Hilfe eines Spatels beziehungsweise Rubblers. Sie muss zwingend von innen nach außen erfolgen und durch das lokale Andrücken an die Werkzeugform in einer bestimmten Reihenfolge geschehen, da es sonst zu „out of plane“-Ondulationen, das heißt Faltenbildung in der Lage, kommen kann. Das setzt besondere Fähigkeiten der die Laminierung und Drapierung ausführenden Person voraus. Hinzu kommt, dass die händische Drapierung in Folge der mit ihr verbundenen monotonen Bewegung bei der ausführenden Person nicht selten zu Schmerzen und Entzündungen im Handgelenk und Ellenbogen führt.
• Um eine Entlastung der ausführenden Person zu erreichen, wurde in Erwägung gezogen, die Umformung mittels Vakuummembranverfahren durchzuführen. Allerdings kam es dabei verstärkt zu Faltenbildungen im Bauteil, so dass sich das Vakuummembranverfahren, zumindest ohne weitere Anpassungen, als unzuverlässig zeigte.
• Zu Stauchungen und zur Faltenbildung im Vorgelege kann es kommen, wenn das ebene Vorgelege bei der Umformung zum umgeformten Vorgelege in eine zweifach gekrümmte Werkzeugform des Aushärtungswerkzeuges beziehungsweise Druckstücks drapiert wird und dabei der Außenbereich des Vorgeleges von einem größeren Ausgangsradius beziehungsweise einer größeren radialen Ausdehnung mit größerer Ausgangsbogenlänge auf einen kleineren Endradius beziehungsweise eine kleinere radiale Ausdehnung mit kleinerer Endbogenlänge gezwängt wird, zum Beispiel verursacht durch ein Gefälle im entsprechenden Umformbereich des Druckstücks. Dies führt letztendlich zu Stauchungen im Vorgelege und somit zur Faltenbildung im Bauteil.
• Aus der DE 10 2010 013 478 A1 sind eine Einrichtung und ein Verfahren zur Herstellung großflächig dreidimensional gewölbter Strukturbauteile aus einem Faserverbundwerkstoff bekannt. Dabei umfasst die Einrichtung eine Aufrüstvorrichtung mit nach außen gewölbter Montagefläche, welche Aufnahmekanäle zum Einlegen von Bauteilkomponenten aufweist und mit Hilfsstoffen belegbar ist. Die belegte Aufrüstvorrichtung wirkt mit einer korrespondierend hierzu geformten Laminierklebevorrichtung zum Ausformen des Strukturbauteils unter Druck zusammen. Dabei ist die Montagefläche aus mehreren jeweils elastisch verformbaren Montageschalenteilen gebildet, die entlang zumindest einer längsverlaufenden Teilungslinie benachbart zueinander angeordnet und an mehrere schaleninnenseitig quer zur Teilungslinie verlaufende elastisch verformbare Trägerspanten angebracht sind, worüber die Montagefläche über mehrere Aktuatoren zwischen einer ausgefahrenen Stellung und mindestens einer eingefahrenen Stellung verformbar ist, um die Aufrüstvorrichtung bezüglich der Aufnahmekanäle hinterschneidungsfrei aus der Laminierklebevorrichtung auszufahren.
• In der DE 10 2016 210 086 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils für ein Luft oder Raumfahrzeug beschrieben. Hierbei weist das Strukturbauteil eine Innenseite und eine Außenseite, einen Hautabschnitt und eine innenseitige, mit dem Hautabschnitt verbundene Struktur zur Versteifung, Verstärkung oder Lasteinleitung auf. Ein Hautelement zur Bildung des Hautabschnitts und mindestens ein Element der innenseitigen Struktur werden jeweils mit einem Faserverbundmaterial mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix ausgebildet. Das Element der innenseitigen Struktur wird mit dem Hautelement zumindest abschnittsweise verschweißt, während das Hautelement in einem in einem vorangehenden Schritt für eine Formgebung des Hautelements verwendeten Werkzeugteil verbleibt.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur dreidimensionalen Umformung eines Vorgeleges, in dem gegenüber bisher bekannten Verfahren Verbesserungen erreicht werden hinsichtlich
• > einer Entlastung der die Laminierung und Umformung ausführenden Person,
• > einer Verkürzung der Prozesszeit,
• > einer Erhöhung der Prozesssicherheit und Prozessstabilität sowie
• > einer Vermeidung von Lufteinschlüssen innerhalb des Radius.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur dreidimensionalen Umformung eines ebenen Vorgeleges mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Das Verfahren zur dreidimensionalen Umformung eines ebenen Vorgeleges erfolgt unter Anwendung eines Umformwerkzeugs mit einem Druckstück, welches einen ebenen oder leicht, in der Regel konvex, gewölbten Teilbereich und zumindest einen Umformbereich aufweist, der in mindestens zwei Richtungen gekrümmt ist. Bezogen auf eine erste Krümmungsrichtung ist der ebene oder leicht gewölbte Teilbereich radial weiter innen als der Umformbereich positioniert. Vorzugsweise wird der ebene oder leicht gewölbte Teilbereich von dem Umformbereich ringförmig umgeben. Durch Anpressen des Vorgeleges an den in zwei Richtungen gekrümmten Umformbereich verkürzt sich eine äußere radiale Ausdehnung des Vorgeleges von einer äußeren radialen Ausgangsausdehnung auf eine äußere radiale Endausdehnung. Erfindungsgemäß erfolgt das Anpressen des Vorgeleges an den Umformbereich unter Anwendung eines ringförmigen Umformteils aus elastischem Material, welches einen kürzeren inneren Ringrand und einen längeren äußeren Ringrand aufweist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
1. a) Platzierung des ebenen Vorgeleges über dem Druckstück und Anpressen auf den ebenen oder leicht gewölbten Teilbereich;
2. b) Aufstellung des ringförmigen Umformteils in einem konischen Zustand, bei dem eine Fläche zwischen dem inneren Ringrand und dem äußeren Ringrand des Umformteils als eine in einem Winkel α geneigte Mantelfläche ausgerichtet ist, und der kürzere innere Ringrand über dem Umformbereich des Druckstücks derart positioniert wird, dass er in einem Übergangsbereich vom ebenen oder leicht gewölbten Teilbereich zum Umformbereich das Vorgelege am Druckstück anpresst;
3. c) Aufspreizen des konisch aufgestellten ringförmigen Umformteils unter Vergrößerung des äußeren Ringrandes von einem kleineren äußeren Umfang auf einen größeren äußeren Umfang unter Vergrößerung der Auflage- und Anpressfläche des ringförmigen Umformteils auf dem Vorgelege durch Verkleinerung des Winkels α der Neigung der Mantelfläche des Umformteils.
• Der Umformbereich des Druckstücks ist in der Regel oval ausgebildet, was sowohl eine kreisförmige Außenkontur als auch eine elliptische Außenkontur als Spezialfälle einschließt. Entsprechend kann auch das elastische ringförmige Umformteil eine ovale, vorzugsweise kreisringförmige oder elliptische Außenkontur aufweisen. Im Folgenden wird der Vorgang für den einfacheren Fall des Vorliegens einer Kreisbogenform des äußeren Rands des Druckstücks beziehungsweise des Vorgeleges und des elastischen ringförmigen Umformteils erläutert, bei dem der Radius des Druckstücks, des Vorgeleges beziehungsweise des elastischen ringförmigen Umformteils jeweils deren radialer Ausdehnung entspricht. In gleichem Maße, wie das Vorgelege stückweise von einem größeren Ausgangsradius R⁺, dem Zuschnittradius R⁺, auf einen kleineren Endradius R₀ gezwungen wird, was mit einer Materialstauchung verbunden ist, wird das ringförmige Umformteil stückweise von einem kleineren Ausgangsradius R^- auf einen größeren Radius R gezwungen, was mit einer Materialstreckung beziehungsweise einer Scherspannung verbunden ist. Indem das ringförmige Umformteil aufgespreizt wird, „zieht“ es das Vorgelege dabei mit, so dass das Vorgelege ebenfalls aufgespreizt wird und somit keine Falten entstehen.
• Eine Stauchung lässt sich auf diese Weise durch das ringförmige elastische Umformteil verhindern. Die Drapierung muss einerseits die Umformung von innen nach außen umsetzen und andererseits eine Dehnung in Umfangsrichtung erzeugen, das heißt, das Vorgelege wird auf Spannung gehalten. Um das zu realisieren, wird das ringförmige Umformteil konisch aufgestellt, so dass sich der Radius während der Umformung vergrößert, der Radius mithin „gestreckt“ wird und der Anpressdruck auf das Vorgelege von innen nach außen wandert.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine im konisch ausgerichteten Zustand des Umformteils an dem äußeren Ringrand gebildete Stirnseite des Umformteils durch eine obere Decke geschlossen, um das Umformteil während der Umformung auf Spannung zu halten, wobei die unterhalb der oberen Decke innerhalb des Umformteils eingeschlossene Luft während der Umformung zusätzlich für eine Stabilisierung sorgt. Das Umformen selbst erfolgt vorteilhafterweise mittels eines Vakuummembranverfahrens, in der Regel unter Anwendung einer Membran, vorzugsweise einer elastischen Membran wie einer Latexmembran, und Vakuum.
• Beim Vakuummembranverfahren wird das Vorgelege zusammen mit dem ringförmigen, konisch aufgestellten elastischen Umformteil mit der Membran luftdicht abgedeckt, wobei durch Absaugen von Luft unterhalb der Membran ein Vakuum erzeugt wird. In Folge dessen übt die Membran auf das elastische Umformteil Druck aus und spreizt dieses derart auf, dass das Umformteil gegen das Vorgelege gepresst wird, wodurch das Vorgelege gegen das Druckstück gepresst und im Umformbereich dreidimensional umgeformt wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird an der Unterseite der Membran eine Noppenfolie platziert, unterhalb der das Vakuum erzeugt wird. Die Umformung kann als Kaltumformung bei Raumtemperatur, zum Beispiel 25 °C, erfolgen.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
• 1: die schematische Darstellung der Reihenfolge bei einem Verfahren zum Drapieren eines Vorgeleges, Stand der Technik,
• 2: eine schematische Querschnittsdarstellung von einem Druckstück eines Umform- und Aushärtungswerkzeugs mit dem Vorgelege vor dem Umformen und nach dem Umformen, Stand der Technik,
• 3: ein drapiertes Bauteil nach unerwünschter Faltenbildung, Stand der Technik,
• 4A-D: eine schematische Darstellung des Wirkmechanismus eines ringförmigen Umformteils zur Umformung und Verteilung des Vorgeleges, wobei
• 4A: eine Draufsicht auf das Druckstück mit einem in konischer Ausrichtung aufgestellten ringförmigen Umformteil,
• 4B: eine perspektivische Darstellung des Druckstücks und des darauf konisch aufgestellten ringförmigen Umformteils,
• 4C: eine schematische Querschnittsdarstellung von einem Druckstück eines Umform- und Aushärtungswerkzeugs mit dem Vorgelege vor dem Umformen und nach dem Umformen sowie eines in konischer Ausrichtung aufgestellten ringförmigen Umformteils und
• 4D: eine Querschnittsfläche des ringförmigen Umformteils in gestreckter Form ist,
• 5: eine schematische Darstellung der Umformung des Vorgeleges auf dem Druckstück mittels des ringförmigen Umformteils anhand von Querschnittsdarstellungen,
• 6A: eine perspektivische Darstellung des auf dem Druckstück aufgelegten Vorgeleges mit dem konisch aufgestellten ringförmigen Umformteil vor der Umformung und
• 6B: eine perspektivische Darstellung des auf dem Druckstück angepressten Vorgeleges nach der Umformung.
• Die 1 stellt schematisch die Reihenfolge bei einem Verfahren zur dreidimensionalen Drapierung (3D-Drapierung) eines Vorgeleges nach dem Stand der Technik am Beispiel der Herstellung einer Abdeckplatte, eines sogenannten Blind Panels, dar. Ein Blind Panel ist ein schalenförmiges Bauteil zur Abdeckung von Fenstern an Stellen in einem Flugzeug, an denen kein Sitzplatz vorgesehen ist. Ein radial innen liegender Bereich des Blind Panels ist im Wesentlichen eben ausgebildet, und ein radial außen liegender Bereich, der an den innen liegenden Bereich angrenzt und ihn umgibt, ist über den gesamten Umfang dreidimensional umgeformt.
• Bei diesem Anwendungsbeispiel werden ebene Vorgelege zum Beispiel mit zwei bis drei Lagen gebildet, zwischenverdichtet und anschließend auf das entsprechende Umform- und Aushärtungswerkzeug laminiert. Die ebenen Vorgelege können aus zwei oder drei Lagen bestehen, wobei die Einzellagen des Vorgeleges unterschiedliche Faserorientierungen aufweisen können. Die einzelnen Vorgelege werden auf ein Druckstück des Umform- und Aushärtungswerkzeugs positioniert. Das Druckstück, welches eine ovale Außenkontur hat, weist einen bezogen auf die Krümmung der Außenkontur radial innen gelegenen, im Wesentlichen ebenen Teilbereich A und einen radial außen liegenden, in mindestens zwei Richtungen gekrümmten Umformbereich, der an den innen liegenden Teilbereich A angrenzt und ihn ringförmig umgibt, mit den Teilbereichen B und C auf. Zunächst werden die einzelnen Vorgelege im Teilbereich A festgedrückt. Nun erfolgt in den Teilbereichen B und C eine 3D-Drapierung der ebenen Lagen auf das Umform- und Aushärtungswerkzeug.
• Die Drapierung erfolgt dabei händisch mit Hilfe eines Spatels/Rubblers und muss zwingend von innen nach außen und durch das lokale Andrücken an die Form in einer bestimmten Reihenfolge geschehen, da es sonst zu „out of plane“-Ondulationen, das heißt Faltenbildung in der Lage, kommen kann. Das setzt besondere Fähigkeiten der die Laminierung ausführenden Person voraus, wobei die händische Drapierung in Folge der mit ihr verbundenen monotonen Bewegung bei der ausführenden Person nicht selten zu Schmerzen und Entzündungen im Handgelenk und Ellenbogen führt.
• Die 2 zeigt eine Querschnittsdarstellung von dem Druckstück 1 des Umform- und Aushärtungswerkzeugs mit einem ebenen Teilbereich 1a und einem Umformbereich 1b, und eine schematische Darstellung des Vorgeleges 2 vor dem Umformen als ebenes Vorgelege 2a und nach dem händischen Umformen als umgeformtes Vorgelege 2b. Damit wird die Ursache für die Stauchung und Faltenbildung im Vorgelege illustriert. Zu Stauchungen und Falten im Vorgelege 2 kann es kommen, wenn das ebene Vorgelege 2a bei der Umformung zum umgeformten Vorgelege 2b in eine doppelt gekrümmte Werkzeugform des Umform- und Aushärtungswerkzeugs beziehungsweise des Druckstücks 1 drapiert wird und dabei der Außenbereich des Vorgeleges 2 von einem größeren Ausgangsradius R⁺ mit größerer Ausgangsbogenlänge auf einen kleineren Endradius R₀ mit kleinerer Endbogenlänge gezwängt wird, im Beispiel verursacht durch ein Gefälle als Krümmung im korrespondierenden Umformbereich 1b des Druckstücks 1. Dies führt letztendlich zu Stauchungen im Vorgelege 2 und somit zur Faltenbildung im Bauteil, wie es in der 3 anhand einer Abdeckplatte 3 mit Falten 4 veranschaulicht ist.
• Dieses Problem wird gemäß der Erfindung durch ein ringförmiges Umformteil aus elastischem Material gelöst, dessen Wirkmechanismus in den Figuren 4A bis 4D schematisch dargestellt ist.
• So zeigt die 4A eine Draufsicht und 4B eine perspektivische Darstellung des Druckstück 1 mit dem in konischer Ausrichtung aufgestellten ringförmigen Umformteil 5.
• Die 4C zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung mit dem in 1A angezeigten Schnittverlauf A-A von dem Druckstück 1 des Umform- und Aushärtungswerkzeugs mit einem ebenen Teilbereich 1a und einem Umformbereich 1b, dem Vorgelege und dem Umformteil 5. Die 4C zeigt das Vorgelege 2 auf dem Druckstück 1 vor dem Umformen als ebenes Vorgelege 2a und nach dem Umformen als umgeformtes Vorgelege 2b. Durch das ringförmige Umformteil 5 lässt sich verhindern, dass es zu Stauchungen und Falten im Vorgelege 2 kommt, wenn das ebene Vorgelege 2a bei der Umformung zum umgeformten Vorgelege 2b in die doppelt gekrümmte Werkzeugform des Umform- und Aushärtungswerkzeuges beziehungsweise Druckstücks 1 drapiert wird und dabei der Außenbereich des Vorgeleges 2 von einem größeren Radius, dem Zuschnittradius R⁺, auf einen kleineren Radius R₀, der dem Außenradius des Druckstücks 1 entspricht, gezwängt wird, im Beispiel verursacht durch das Gefälle im korrespondierenden Umformbereich 1b des Druckstücks 1. Die Verkleinerung des Radius ist beispielhaft mit ΔR = 2,3 mm angegeben. Die Drapierung muss einerseits die Umformung von innen nach außen umsetzen und zum anderen eine Dehnung in Umfangsrichtung erzeugen, indem das Vorgelege 2 auf Spannung gehalten wird. Um das zu realisieren, wird das ringförmige Umformteil 5 zunächst konisch über dem Umformbereich 1b des Druckstücks 1 aufgestellt. Das heißt, dass der Radius des ringförmigen Umformteils 5 an einem äußeren, oberen Ringrand 5a größer ist als an einem inneren, unteren Ringrand 5b und das ringförmige Umformteil 5 so aufgestellt ist, dass es zunächst mit einer Auflagefläche, die sich am kürzeren, unteren Ringrand 5b befindet, das Vorgelege 2 in einem Übergangsbereich zwischen dem Teilbereich 1a und dem Umformbereich 1b des Druckstücks 1 an das Druckstück 1 anpresst. Zwischen dem oberen Ringrand 5a und dem unteren Ringrand 5b ist eine Mantelfläche 5c des konisch aufgestellten ringförmigen Umformteils 5 ausgebildet und mit einem Winkel α geneigt ausgerichtet. Der größere Radius des ringförmigen Umformteils 5 am äußeren, oberen Ringrand 5a der konischen Form ist zugleich der Ausgangsradius R^- des ringförmigen Umformteils 5. Während des Drapiervorgangs wird das Umformteil 5 dann durch Druck nach außen derart umgeformt, dass sich der Winkel α verkleinert und sich der Radius des ringförmigen Umformteils 5 und damit dessen Bogenlänge beziehungsweise Umfang während der Umformung vergrößert, der Radius mithin „gestreckt“ wird, bis er dem Radius des Druckstücks 1 beziehungsweise dem Radius R₀ des darauf umgeformten Vorgeleges 2b entspricht, wobei der Anpressdruck des ringförmigen Umformteils 5 auf das Vorgelege 2 von innen nach außen wandert, da sich mit abnehmenden Winkel α auch die Auflagefläche des ringförmigen Umformteils 5 auf das Vorgelege 2 während der Umformung des ringförmigen Umformteils 5 von innen nach außen vergrößert. Beispielhaft ist die Vergrößerung des Ausgangsradius R^- auf R₀ mit 2,3 mm angegeben. Die 4D zeigt eine Querschnittsfläche des ringförmigen Umformteils 5, die die umlaufende gestreckte Form des ringförmigen Umformteils 5 vereinfacht darstellt. Wie aus den Figuren 4C und 4D ersichtlich, weist die Mantelfläche 5c des ringförmigen Umformteils 5, die in der gestreckten Form die Auflagefläche auf das Vorgelege 2 bildet, vorteilhafterweise eine Form auf, die mit der Form des Umformbereichs 1b des Druckstücks 1 korrespondiert.
• Die 5 zeigt eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zur Umformung des Vorgeleges 2 auf dem Druckstück mittels ringförmigen Umformteils 5 anhand von Querschnittsdarstellungen, wobei die Umformung von einem ebenen Vorgelege 2a zum umgeformten Vorgelege 2b erkennbar ist.
• Um das ringförmige Umformteil während der Umformung auf Spannung zu halten, ist es besonders vorteilhaft, die obere Stirnseite des ringförmigen Umformteils 5, das heißt die Stirnseite am oberen Ende 5a mit dem Radius R^-, mit einer Decke 5d zu verschließen. Damit kann während des Umformens Luft 6 in das ringförmige Umformteil 5 eingeschlossen werden, so dass das ringförmige Umformteil 5 wie ein Luftkissen wirkt, wobei die eingeschlossene Luft 6 zusätzlich für eine Stabilisierung sorgt. Das Umformen erfolgt dann, wie in 5 schematisch dargestellt, mittels eines Vakuummembranverfahrens, bei dem das Vorgelege 2 zusammen mit dem ringförmigen Umformteil 5 mit einer Noppenfolie 7 und einer elastischen Membran 8 luftdicht abgedeckt wird, und durch Absaugen von Luft unterhalb der elastischen Membran 8 und der Noppenfolie 7 ein Vakuum erzeugt wird, wodurch die elastische Membran 8 und die Noppenfolie 7 auf das ringförmige Umformteil 5, welches auch als Laminierring 5 bezeichnet werden kann, Druck ausüben und das ringförmige Umformteil 5 darüber hinaus in seinem Außenbereich derart spreizen, so dass in Folge dessen das Vorgelege 2 gegen das Druckstück 1 gepresst und im Umformbereich 1b des Druckstücks 1 dreidimensional umgeformt wird. Die Umformung kann als Kaltumformung bei Raumtemperatur erfolgen.
• Zur besseren Beschreibung ist in den folgenden Punkten die Reihenfolge der Umformung des Vorgeleges 2 dargestellt:
1. I. die Umformung beginnt am Innenradius R_i des umzuformenden Bereichs des Vorgeleges 2, das heißt im Übergangsbereich zwischen dem Teilbereich 1a und dem Umformbereich 1b des Druckstücks 1, und setzt sich nach außen hin fort;
2. II. das Vorgelege 2 wird stückweise von einem größeren Ausgangsradius R⁺ auf einen kleineren Endradius R₀ gezwungen, was mit einer Materialstauchung verbunden ist,
3. III. das ringförmige Umformteil 5 wird stückweise von einem kleineren Ausgangsradius R^- auf einen größeren Radius R gezwungen, was mit einer Materialstreckung beziehungsweise einer Scherspannung verbunden ist;
4. IV. das ringförmige Umformteil 5 wird aufgespreizt und „zieht“ das Vorgelege 2 dabei mit, so dass das Vorgelege ebenfalls aufgespreizt wird und somit keine Falten entstehen;
5. V. das durch eingeschlossene Luft 6 gebildete Luftkissen auf den mittleren, flachen Teilbereich 1a des Druckstücks 1 beziehungsweise das darauf aufliegende Vorgelege 2 hilft, das ringförmige Umformteil 5 aufzuspannen und stabil zu halten.
• Die 6A zeigt eine perspektivische Darstellung des auf dem Druckstück 1 aufgelegten, ebenen Vorgeleges 2a mit dem aufgesetzten, konisch aufgestellten ringförmigen Umformteils 5 vor der Umformung. Dabei ist die Stirnseite am äußeren, oberen Ringrand 5a mit einer oberen Decke 5d verschlossen, so dass sich darunter ein Luftkissen ausbilden kann. Die 6B zeigt eine perspektivische Darstellung des fertig umgeformten und faltenfreien Vorgeleges 2b, von dem das ringförmige Umformteil bereits entfernt wurde.
• Bezugszeichenliste

R0

Endradius mit Endbogenlänge; radiale Endausdehnung des Vorgeleges

R+

Ausgangsradius Vorgelege, Zuschnittradius; radiale Ausgangsausdehnung des Vorgeleges

R-

Ausgangsradius des ringförmigen Umformteils

Ri

Innenradius des umzuformenden Bereichs des Vorgeleges

1

Druckstück

1a

Teilbereich des Druckstücks

1b

Umformbereich des Druckstücks

2

Vorgelege

2a

ebenes Vorgelege

2b

umgeformtes Vorgelege

3

Blind Panel, Abdeckplatte

4

Falten

5

ringförmiges Umformteil, Laminierring

5a

äußerer Ringrand

5b

innerer Ringrand

5c

Mantelfläche

5d

obere Decke

6

eingeschlossene Luft im Umformteil, Luftkissen

7

Noppenfolie

8

Membran

α

Winkel der Neigung der Mantelfläche

Claims (10)

1. Verfahren zur dreidimensionalen Umformung eines ebenen Vorgeleges (2a) unter Anwendung eines Umformwerkzeugs mit einem Druckstück (1), welches einen ebenen oder leicht gewölbten Teilbereich (1a) und zumindest einen Umformbereich (1b) aufweist, der in mindestens zwei Richtungen gekrümmt ist, wobei, bezogen auf eine erste Krümmungsrichtung, der Teilbereich (1a) radial weiter innen als der Umformbereich (1b) positioniert ist, und wobei sich eine äußere radiale Ausdehnung des Vorgeleges (2) durch Anpressen des Vorgeleges (2) an den in zwei Richtungen gekrümmten Umformbereich (1b) von einer äußeren radialen Ausgangsausdehnung (R⁺) auf eine äußere radiale Endausdehnung (R₀) verkürzt, und wobei das Anpressen des Vorgeleges (2) an den Umformbereich (1b) unter Anwendung eines ringförmigen Umformteils (5) aus elastischem Material erfolgt, welches einen kürzeren inneren Ringrand (5b) und einen längeren äußeren Ringrand (5a) aufweist, umfassend die Schritte: a) Platzierung des ebenen Vorgeleges (2a) über dem Druckstück (1) und Anpressen auf den Teilbereich (1a); b) Aufstellung des ringförmigen Umformteils (5) in einem konischen Zustand, bei dem eine Fläche zwischen dem inneren Ringrand (5b) und dem äußeren Ringrand (5a) des Umformteils (5) als eine in einem Winkel (α) geneigte Mantelfläche (5c) ausgerichtet ist, und der kürzere innere Ringrand (5b) über dem Umformbereich (1b) des Druckstücks (1) derart positioniert wird, dass er in einem Übergangsbereich vom Teilbereich (1a) zum Umformbereich (1b) das Vorgelege (2) am Druckstück (1) anpresst; c) Aufspreizen des konisch aufgestellten ringförmigen Umformteils (1) unter Vergrößerung des äußeren Ringrandes (5a) von einem kleineren äußeren Umfang auf einen größeren äußeren Umfang unter Vergrößerung der Auflage- und Anpressfläche des ringförmigen Umformteils (5) auf dem Vorgelege (2) durch Verkleinerung des Winkels (α) der Neigung der Mantelfläche (5c) des Umformteils (5).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine im konisch ausgerichteten Zustand des Umformteils (5) an dem äußeren Ringrand (5a) gebildete Stirnseite des Umformteils (5) durch eine obere Decke (5d) geschlossen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der oberen Decke (5d) innerhalb des Umformteils (5) während der Umformung Luft (6) zur Stabilisierung des Umformteils (5) eingeschlossen ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung mittels eines Vakuummembranverfahrens erfolgt, bei dem das Vorgelege (2) zusammen mit dem ringförmigen, konisch aufgestellten elastischen Umformteil (5) mit einer Membran (8) luftdicht abgedeckt wird und unterhalb der Membran (8) ein Vakuum erzeugt wird, in Folge dessen die Membran (8) auf das elastische Umformteil (5) Druck ausübt, welches dadurch aufgespreizt und gegen das Vorgelege (2) gepresst wird, wodurch das Vorgelege (2) gegen das Druckstück (1) gepresst und im Umformbereich (1b) dreidimensional umgeformt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite der Membran (8) eine Noppenfolie (7) platziert wird, unterhalb der das Vakuum erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Membran (8) eine elastische Membran (8) eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung als Kaltumformung bei Raumtemperatur durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformbereich (1b) und das ringförmige Umformteil (5) eine ovale Außenkontur aufweisen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformbereich (1b) und das ringförmige Umformteil (5) eine kreisförmige Außenkontur aufweisen.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformbereich (1b) und das elastische ringförmige Umformteil (5) eine elliptische Außenkontur aufweisen.

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