DE4309317A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Freiformumformen von Halbzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Freiformumformen von Halbzeugen, insbesondere von Blechen.

Herkömmliche Blech-Umformverfahren, wie z. B. Tiefziehen oder Streckziehen, die vielfach im Anlagen- und Maschinenbau, insbesondere im Fahrzeugbau oder der Luft- und Raumfahrttechnik angewandt werden, erfordern im allgemeinen aufwendige und komplizierte Umformwerkzeuge, so daß die Flexibilität hinsichtlich der Einzelfertigung von Umformteilen bei der Herstellung von Prototypen oder Kleinserien gering ist.

Es besteht daher ein zunehmender Bedarf an flexiblen, nicht werkzeuggebundenen Blechumformverfahren, mit denen die gewünschte Bauteilgeometrie im Einzelfall oder für Kleinserien kostengünstig und schnell realisiert werden kann und wobei der Werkzeugaufwand gering bleibt.

Um auch ohne bzw. bei geringem Einsatz formgebundener Werkzeuge hinreichende Umformgrade realisieren zu können, ist es wünschenswert, die Streckgrenze des Materiales möglichst herabzusetzen und somit die Elastizität der Stahlbleche zu verringern. Für das freie Biegen oder als Vorbereitung für einen nachfolgenden Kaltumformvorgang ist es bekannt, hierfür eine lokale Erwärmung des Halbzeuges mittels Laserstrahl auszuführen (DE-OS 42 28 528, DE-OS 37 28 041). Derartige Biegevorgänge werden allerdings im Falle der DE-OS 37 28 041 wiederum nur mit erheblichem werkzeugtechnischen Aufwand zur Kaltumformung vorgenommen, bzw. erfordern Robotervorrichtungen und lassen nur eine sehr eingeschränkte Formteilgeometrie zu (DE-OS 42 28 528).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, im wesentlichen unter Verzicht auf formgebundene Werkzeuge ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Freiformumformen von Halbzeugen, insbesondere von Blech, anzugeben, die eine flexible Formgebung der Halbzeuge mit verhältnismäßig großen Umformgraden unter verhältnismäßig großflächiger Einwirkung auf das Halbzeug gestatten.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des eingangs genannten Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Halbzeug von einer Vorderseite her einem Verformungsdruck ausgesetzt und gleichzeitig an seiner Rückseite einer Laserstrahl-Erwärmung unterzogen wird.

Auf diese Weise ist es auch ohne formgebundene und komplizierte Werkzeuge möglich, die gewünschte Bauteilform unter großflächiger Umformung des Halbzeuges, insbesondere eines Blechteiles, zu erreichen.

Für die Erfindung wesentlich ist dabei die opponierende Anordnung von Verformungsdruckquelle und Laserstrahlquelle in bezug auf das Halbzeug, da auf diese Weise eine große Variabilität hinsichtlich der auf das Halbzeug einwirkenden Verformungsdruckquellen bei einem solchen Freiformvorgang möglich ist, zugleich aber eine präzise, lokale Erwärmung des Halbzeuges von seiner Rückseite her in den Bereichen hohen Umformgrades erfolgen kann, so daß der Umformwiderstand verringert wird und höhere Umformgrade erzielt werden können. Dabei kann im praktischen Einsatz das Halbzeug mit seiner Vorderseite nach unten weisend und mit seiner Rückseite nach oben weisend dem Freiformvorgang unterzogen werden, oder es ist eine umgekehrte Anordnung in bezug auf die Lage von Vorder- und Rückseite des Halbzeuges bei entsprechender Vertauschung der Position von Verformungsdruckquelle und Laserstrahlquelle möglich.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für die Blechumformung wird das Blech einem laserunterstützten Freiformziehen unterzogen, wobei der Verformungsdruck auf das Blech durch ein Fluid, insbesondere ein Druckgas, aufgebracht wird.

Dieses Verfahren kann bevorzugt so ausgeführt werden, daß das Blech randseitig auf einer mit Druckgas gefüllten Wanne aufgespannt und die der Wanne zugewandte, nach unten weisende Vorderseite des Bleches in Kontakt mit dem Druckgas gebracht wird, und daß anschließend, z. B. unter weiterer Gaszufuhr, der Druck in dem durch die Wanne und das als obere Abdeckung derselben wirksame Blech geschlossenen und vollständig mit Druckmedium gefüllten Innenraum der Wanne erhöht wird. Gleichzeitig mit der Druckerhöhung wird die Rückseite des Bleches lokal und unter entsprechender Ablenkung des Laserstrahles einer Laserstrahlerwärmung unterzogen, so daß eine Freiform-Gasdruckumformung unter Ausbauchung des Bleches nach oben erfolgt, wobei die Laserstrahlerwärmung zu einer deutlichen Erhöhung der erreichbaren Umformgrade in Abhängigkeit von den übrigen Materialeigenschaften des Bleches führt.

Nach einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für die Freiform-Blechumformung wird das Blech einem laserunterstützten Streckziehen unterzogen, wobei der Verformungsdruck durch ein Druckwerkzeug, insbesondere einen Preßstempel aufgebracht wird.

Vorzugsweise wird das Blech auch hierbei randseitig eingespannt und gegen seine, z. B. nach unten weisende Vorderseite durch eine Hubbewegung eines Preßstempels druckbelastet, bei gleichzeitiger Laserstrahlerwärmung an der Rückseite des Bleches.

Vorzugsweise kann hierbei eine großflächige Universalform für den Preßstempel, z . B. eine Keramikkugel oder eine Halbkugel- oder Zylinderform gewählt werden.

Zur Erhöhung der Formgenauigkeit der gewünschten Endform des Halbzeuges kann auf der Seite des Halbzeuges, die durch den Laserstrahl erwärmt wird, eine flexible Matrize als Gegenwerkzeug angeordnet sein.

Hinsichtlich der vorgenannten Vorrichtung zum Freiformumformen wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Blech randseitig in einer Spannvorrichtung aufgenommen ist und an dem Blech einerseits eine Druckvorrichtung angreift und andererseits eine Laserstrahlquelle zur Laserbestrahlung einer von der Druckvorrichtung abgewandten Seite des Bleches vorgesehen ist.

Durch eine solche Vorrichtung kann ungestört von einem großflächigen Angriff der Druckvorrichtung an der eingespannten Blechronde auf deren Rückseite eine lokale Laserstrahlerwärmung zur Verminderung der Elastizität und Vergrößerung des Umformvermögens des Materiales angeordnet werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist die Druckvorrichtung ein Druckgaswerkzeug, durch das das Blech einseitig mit Gasdruck beaufschlagbar und zu einer gasdruckfreien Seite des Bleches hin umformbar ist.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Druckvorrichtung ein Preßstempel, der vorzugsweise mehrachsig bewegbar ist und höchst vorzugsweise eine Universalform, insbesondere eine Kugelgestalt, aufweist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann an der Rückseite des Blechteiles, der die Laserstrahlquelle zugewandt ist, eine elastische, endformgebende Matrize angeordnet sein, so daß die Präzision der Endformgebung erhöht werden kann.

Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den übrigen Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für das laserunterstützte Freiformziehen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für das laserunterstütze Streckziehen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist in schematischer Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum Freiformziehen eines Blechteiles 1 dargestellt. Das Blechteil 1 ist entlang seines Umfangsrandes auf einer Druckwanne 2 aufgelegt und im Bereich von Randflanschen 3 der Druckwanne 2 durch eine oder mehrere, hier nicht näher dargestellte, sondern lediglich schematisch angedeutete Spannvorrichtungen 4 festgespannt.

Die linke Seite der Darstellung zeigt den Umformvorgang im Anfangsstadium oder das Blechteil 1 im Ursprungszustand, während die rechte Seite von Fig. 1 den Endformgebungszustand des Blechteiles 1 darstellt. Der Innenraum der Druckwanne 2 ist vollständig mit einem Druckmedium, vorzugsweise Druckgas 5 angefüllt, so daß sich eine Vorderseite 6 des Blechteiles 1, hier die Unterseite des Blechteiles, in Kontakt mit dem Druckgas 5 befindet. Die in Verbindung mit dem Druckgas 5 als Druckvorrichtung wirksame Druckwanne 2 weist seitlich einen Gaseinlaß 8 auf, durch den weiteres Druckfluid in die Vorrichtung, d. h. in den Innenraum der Druckwanne 2 eingeführt werden kann.

Für den Umformvorgang wird durch Einführen weiteren Druckgases durch den Einlaß 8 der Innendruck innerhalb des durch das Blechteil 1 abgeschlossenen, vollständig mit Druckgas gefüllten Innenraumes der Druckwanne 2 der Druck zum Aufbau eines Umformdruckes erhöht und es wird gleichzeitig auf der Rückseite 7 des Blechteiles 1 lokal eine Erwärmung des Blechteiles 1 durch einen Laserstrahl 9 von einer hier nur schematisch und auch hinsichtlich von Steuerungs- und Ablenksystemen nicht näher dargestellten Laserstrahlquelle 10 vorgenommen.

Auf diese Weise kann eine Freiformgebung des Blechteiles 1, wie im Halbschnitt in der rechten Hälfte der Fig. 1 dargestellt, erreicht werden. Die Laserstrahlerwärmung an der Rückseite 7 des Blechteiles 1 führt zur Herabsetzung der Streckgrenze und damit zur Verringerung der Festigkeit des Blechteiles 1, so daß das Umformvermögen erhöht und ein größerer Umformgrad hinsichtlich des Freiformziehens durch das Druckgas in Verbindung mit der Druckwanne 2 erreicht werden können.

Gegebenenfalls kann an der hier als Oberseite angeordneten Rückseite 7 des Blechteiles 1 auch eine hier nicht dargestellte, flexible Matrize zur Anwendung kommen, durch die eine noch größere Bestimmung der Endformgebung des Blechteiles 1 erfolgen kann, ohne daß hier ein spezieller werkzeugtechnischer Aufwand nötig ist.

Auf diese Weise wird ein Freiformziehen von Blechteilen ermöglicht, das eine wesentlich bessere Ausschöpfung des Umformvermögens des Blechteiles 1 infolge der Anwendung zusätzlicher Laserstrahlerwärmung ermöglicht, so daß höhere Umformgrade erreichbar sind, ohne daß der werkzeugtechnische Aufwand steigt.

Von besonderer Bedeutung ist hierbei die opponierende Anordnung von durch das Druckmedium 5 und die Druckwanne 2 gebildeter Druckwanne mit in Fig. 1 nach oben gerichteter Umformkraft einerseits und die rückseitige Anordnung der Laserstrahlquelle 10 zur lokalen Erwärmung und verbesserten Formbarkeit des Blechteiles 1 andererseits. Die Dosierung des Laserstrahles 9 kann hinsichtlich Intensität und Ablenkung äußerst präzise erfolgen, so daß tatsächlich eine Erwärmung in den Bereichen besonders hoher Formänderung zur Erreichung großer Umformgrade möglich ist.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Freiformumformung mittels Laserstrahlunterstützung durch lokale Erwärmung des Halbzeuges, hier wiederum des Blechteiles 1 für ein laserunterstütztes Streckziehen dieses Blechteiles 1. Das Blechteil 1 ist wiederum umfangsseitig durch die Spannvorrichtung 4 festgelegt und wird aus dem in der linken Hälfte der Fig. 2 gezeigten Ausgangszustand durch Verwendung eines als Kugel 11 ausgebildeten Preßstempels in Richtung einer Kraft F nach aufwärts druckbelastet unter gleichzeitiger Laserstrahlerwärmung an seiner oberen Rückseite durch die Laserstrahlquelle 10. Für den Preßstempel ist die Wahl einer Universalgeometrie, wie z. B. einer Kugel, vorteilhaft; es kann jedoch auch eine Halbkugelform oder Zylinderform verwendet werden. Gegebenenfalls kann in Abhängigkeit von der Streckziehaufgabe die Kugel 11 oder der an ihrer Stelle verwendete Preßstempel zusätzlich zu der in Fig. 2 aufwärtsgerichteten Hubbewegung eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung ausführen, wobei dies aufgrund der in einfacher Weise zu realisierenden mehrachsigen Bewegbarkeit des Preßstempels, hier der Kugel 11, in unkomplizierter Weise realisiert werden kann. Auch hier dient die Laserstrahlerwärmung der Verminderung der Festigkeit des Blechteiles 1 und der Erhöhung des Formänderungsvermögens.

Gegebenenfalls kann auch in diesem Fall eine elastische Gegenmatrize verwendet werden, die in Fig. 2 jedoch nicht dargestellt ist. Ein Endformzustand des Blechteiles 1 ist in Fig. 2 in der rechten Halbdarstellung im Halbschnitt gezeigt.

Durch die Kombination der Fluid-Druckvorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bzw. des Freiformstreckziehens mit einem z. B. als Kugel gestalteten Preßstempel nach Fig. 2 mit einer lokalen Erwärmung des Werkstückes an der Rückseite desselben durch einen Laserstrahl werden die Möglichkeiten der Freiformumformung deutlich erweitert und auch bisher nicht oder nur mit erhöhtem werkzeugtechnischen Aufwand erreichbare Umformgrade realisierbar.

Claims (14)

1. Verfahren zum Freiformumformen von Halbzeugen, insbesondere Blech, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug (1) von einer Vorderseite (6) her einem Verformungsdruck ausgesetzt und gleichzeitig an seiner Rückseite einer Laserstrahl-Erwärmung unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 für eine Blechumformung, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (1) einem laserunterstützten Freiformziehen unterzogen wird, wobei der Verformungsdruck durch ein Fluid, insbesondere Gas (5), aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (1) randseitig auf einer mit Druckmedium gefüllten Wanne (2) aufgespannt, die der Wanne (2) zugewandte Vorderseite (6) des Bleches (2) in Kontakt mit dem Druckmedium (5) gebracht und anschließend der Druck in der Wanne (2) bei gleichzeitiger Laserstrahlerwärmung der Rückseite (7) des Bleches (1) erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, für eine Blechumformung, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (1) einem laserunterstützten Streckziehen unterzogen wird, wobei der Verformungsdruck durch ein Druckwerkzeug (11) aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (1) randseitig eingespannt und durch einen Preßstempel (11) gegen seine Vorderseite druckbelastet wird, bei gleichzeitiger Laserstrahlerwärmung an der Rückseite (7) des Bleches (1).

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßstempel während der Druckeinwirkung auf das Blech zusätzlich zur Hubbewegung eine weitere Bewegung um und/oder entlang zumindest einer weiteren Achse ausführt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßstempel zusätzlich zu der Hubbewegung, die im wesentlichen vertikal zu einer Hauptebene des Bleches gerichtet ist, eine Translations- und/oder Rotationsbewegung ausführt.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Endformgebung des Halbzeuges durch eine flexible Matrize erfolgt, die auf der Seite des Halbzeuges angeordnet ist, an der die Laserstrahlerwärmung desselben erfolgt.

9. Vorrichtung zum Freiformumformen von Blech, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (1) randseitig in einer Spannvorrichtung (4) aufgenommen ist und an dem Blech (1) einerseits eine Druckvorrichtung (2, 5; 11) angreift und andererseits eine Laserstrahlquelle (10) zur Laserbestrahlung einer von der Druckvorrichtung abgewandten Seite des Bleches (1) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvorrichtung ein Fluiddruckwerkzeug, insbesondere ein Druckgaswerkzeug (2, 5), ist, in dem das Blech (1) einseitig mit Fluiddruck beaufschlagbar und zu einer fluiddruckfreien Seite des Bleches (1) hin umformbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvorrichtung ein Preßstempel (11) ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßstempel mehrachsig bewegbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßstempel (11) eine Universalform, insbesondere Kugelgestalt, aufweist.

14. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckvorrichtung eine flexible, endformgebende Matrize gegenüberliegt.