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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren von Werkzeugbestückung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 11, wie zum Beispiel aus der GB-A-868162
bekannt und insbesondere auf ein rekonfigurierbares, modulares Werkzeug.
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Die
Herstellung eines Werkzeugs oder Modells hat konventionell Maschinenbearbeitung
aus einem Materialknüppel,
einen zusätzlichen
Vorgang wie beispielsweise Gießen
nach einer Form, Skulptieren oder Putzen oder Herstellung beispielsweise aus
Blech involviert. Für
Werkzeuge großen
Maßstabs,
die typisch in der Luftfahrt- und Automobilindustrie erforderlich
sind, ist die Zeit, die für
die Zurichtung von Werkzeugen durch derartige Verfahren benötigt wird,
langsam und unerschwinglich teuer. Dies ist teilweise auf die große Größe der erforderlichen Materialknüppel zurückzuführen, die
bei ihrer Herstellung in die Werkzeuge eingesetzt werden müssen und
die vielleicht Monate vor ihrer Lieferung zu bestellen sind.
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Überdies
hat es die Menge von Facharbeiterzeit und Material, die bei der
Herstellung eines Werkzeugs auf konventionelle Art erforderlich
ist, unwirtschaftlich gemacht, ein Werkzeug, beispielsweise bei Produktentwicklung,
begrenzter Serienanfertigung und kundenindividueller Massenproduktion
zu produzieren.
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Um
diese Probleme zu überwinden,
wurden rekonfigurierbare modulare Werkzeuge entwickelt, die durch
das verkörpert
sind, das im US-Patent Nr. 5846464 offenbart wurde. In dem, in diesem
Patent offenbarten, Werkzeug ist eine Gruppierung vertikal verstellbarer
Stifte auf einer Antriebsbasis so montiert, dass die Höhe jedes
Stifts über
der Basis individuell eingestellt werden kann. Eine flexible Oberfläche oder
Deckschicht wird an die flexiblen Träger angebracht, die an den
Enden der Stifte montiert sind. Die Oberflächenkontur der Deckschicht
lässt sich
daher, durch Justieren der individuellen Höhen der Stifte, auf eine gewünschte Kontur
einstellen. Die Einstellungen werden automatisch durch einen Computer
gesteuert, der mit der gewünschten
Kontur vorprogrammiert ist. Wenn das Werkzeug in Gebrauch ist, fungiert
die Deckschicht entweder als eine primäre Werkzeugoberfläche oder
als eine sekundäre Werkzeugoberfläche zum
Produzieren eines Modells oder einer Form, beispielsweise, für Formguss.
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Rekonfigurierbare
Werkzeuge der beschriebenen Art sind für einige Anwendungen geeignet,
haben aber für
andere Anwendungen nicht genügend Robustheit
und/oder Definition in der Werkzeugoberfläche. Die, die flexible Deckschicht
tragenden, Stifte sind mit Abstand angeordnet und liegen nicht in
der Ebene der gewünschten
Oberflächenkontur.
Deshalb ist die Deckschichtoberfläche nur eine Punkt-Punkt-Annäherung der
gewünschten
Oberflächenkontur.
Die Auflösung
der Oberfläche
hängt von der
Dichte, Zahl und Größe von Stiften
in der Werkzeuggruppierung ab, aber sowie die Dichte der Stifte zunimmt
und sich ihre Größe verringert,
wird es zunehmend schwierig die Positionen der Stifte einzustellen.
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Die
kombinierte Festigkeit der Stifte ist viel geringer als die Festigkeit
eines massiven Werkzeugs und deshalb ist das Werkzeug für die Mehrheit von
Werkzeugoperationen nicht fest genug. Überdies wird das Geometrieverhältnis, das
heißt,
der Tiefenbereich in der Werkzeugoberfläche im Vergleich zu seiner
Breite durch den Grad begrenzt, zu dem sich die Deckschicht deformieren
kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Werkzeug bereitgestellt, das eine Mehrheit von
Elementen, die in einer Gruppe angeordnet sind, wobei die Elemente
der Gruppe zwischen einer geschlossenen Position, in der Elemente
einander berühren und
in Position gesichert sind, und einer offenen Position bewegbar
sein könnten,
in der die Elemente mit Abstand angeordnet sind und zur vertikalen
Bewegung relativ zueinander fähig
sind und Antriebsmittel zum Öffnen
und Schließen
der Gruppierung umfasst.
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Die
Elemente sind vorzugsweise auf eine exakte Oberflächenkontur,
beispielsweise durch Fräsen,
Oberfräsen
oder Laserablation, bearbeitbar. Folglich lassen sich die Elemente
mehrere Male wiederverwenden, wobei die Elemente mit einer neuen Oberflächenkontur,
wie für
ein spezielles Werkzeug erforderlich, bearbeitet werden. Die ganze
Länge der Elemente
könnte
bearbeitbar und entfernbar sein oder die Elemente könnten aus
einem oberen Teil und einem unteren Teil konstruiert sein, wobei
der obere Teil entfernbar und bearbeitbar ist.
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Es
ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass, wenn die Fläche des
Werkzeugs bearbeitet wird, die Werkzeugfläche keine Punkt-Punkt-Annäherung der
gewünschten
Oberflächenkontur
ist, sondern exakt ist. Überdies
ermöglicht
Bearbeiten der Elemente, dass sich größere Elemente für eine gegebene
Werkzeuggröße verwendet
lassen, die vertikal leichter positioniert, lateral bewegt und in
der Gruppierung gesichert werden können. Es ist ein weiterer Vorteil
der Erfindung, dass außerdem
die Zahl der Stifte reduziert werden kann.
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Vorzugsweise
stellt ein Antriebsmittel oder weiteres Antriebsmittel vertikalen
Antrieb zu jedem der Elemente bereit. Das weitere Antriebsmittel könnte ein
separates Antriebsmittel für
jedes Element, ein entfernbares Antriebsmittel, das jedes der Elemente
der Reihe nach antreibt oder einen Satz Antriebsmittel umfassen,
wobei jedes ein oder mehrere Elemente antreibt.
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Als
andere Möglichkeit
könnte
man die Elemente in eine angehobene Position einstellen und jedem
Element ermöglichen
unter Schwerkraft in eine gewünschte
Position zu fallen, wo das Element gebremst und gesichert wird.
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Vorzugsweise
ordnen sich die Elemente der Gruppierung schachbrettartig an, um
eine kontinuierliche Werkzeugfläche
zu bilden. In einer weiteren alternativen Anordnung ist es möglich, dass
sich die Elemente nicht völlig
schachbrettartig anordnen, sondern mit Kanälen dazwischen für die Anwendung
eines negativen Drucks auf die Werkzeugoberfläche zur Verwendung des Werkzeugs
bei Vakuumformen und zur Anwendung eines positiven Drucks auf die Werkzeugoberfläche zum
Kühlen
des Werkzeugs und/oder zum Auswerfen des Produkts von der Werkzeugoberfläche angeordnet
sein könnten.
Ansonsten könnten
die Elemente mit Durchgangbohrungen oder Kanälen auf ihrer Oberfläche zur
Anwendung eines negativen oder positiven Drucks auf die Werkzeugoberfläche versehen
sein.
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Es
ist vorzuziehen, dass der Querschnitt jedes Elements im Wesentlichen
quadratisch ist, wobei eine spitze Spitze an einem ersten Scheitelpunkt
des Quadrats und einer entsprechend geformten Aussparung an der
entgegengesetzten Spitze des Quadrats gebildet wird. Als andere
Möglichkeit
könnte
der Querschnitt der Elemente quadratisch, rechteckig oder irgendeines
schachbrettbildenden Querschnitts sein.
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Die
Elemente können
alle der gleichen Größe sein.
Als andere Möglichkeit
könnten
die Elemente, abhängig
von der sich ändernden
Kontur der Werkzeugoberfläche,
unterschiedlicher Größen sein, beispielsweise
wäre eine
größere Elementdichte
kleinerer Elemente besser in einer Gruppierung, die große Veränderungen
in Oberflächenkontur
aufweist, um die für
die Elemente erforderliche Maschinenbearbeitung zu reduzieren.
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Die
Elemente einer Gruppierung könnten, abhängig vom
Produkt, dass mit dem Werkzeug produziert wird, ebenso variierender
Größe sein,
da zum Beispiel in Bereichen hohen Details eines Produkts eine größere Elementdichte
kleinerer Elemente in der Gruppierung erforderlich ist.
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Die
Elemente können
aus einer breiten Palette von Materialien, beispielsweise Kunststoffen, Keramik,
Metallen, Holz, Verbundstoffen und Legierungen hergestellt sein
und die Wahl des Materials hängt
vom Umfeld der Anwendung des Werkzeugs ab. Die Elemente in einer
Gruppierung könnten
aus den gleichen oder verschiedenen Materialien hergestellt sein.
Die Wahl des Materials könnte
durch die Anforderung, falls bestehend, begrenzt werden, dass die
Werkzeugoberfläche
bearbeitet sein soll.
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Die
Gruppierung könnte
spezielle Elemente umfassen, die an sich bekannt sind, wobei diese
speziellen Elemente eine besondere Funktionalität in der Gruppierung haben.
Derartige spezielle Elemente könnten
Ausstoßstifte,
seitlich wirkende Stifte zum Produzieren eines Unterschnitts und
Einguss- und Steigerhölzer
zum Einführen
von Material in die Form umfassen.
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Wo
es wünschenswert
oder erforderlich ist, dass die Oberfläche des im Werkzeugsystem der
Erfindung zu produzierenden Teils eine Oberfläche frei von Kontrollmarken
aufweist, die durch die Anwesenheit von Lücken zwischen den Elementen
verursacht wurden, könnten
die Elemente auf der Werkzeugoberfläche miteinander verbunden werden.
Abhängig vom
Material, aus dem die Elemente hergestellt sind, könnten sie
durch ein geeignetes Verfahren, beispielsweise durch Harzbindung
oder durch Schweißen
verbunden werden. Wenn es zum Rekonfigurieren des Werkzeugs erforderlich
ist, könnte
die Verbindung, beispielsweise mechanisch durch Maschinenbearbeitung
oder chemisch, entfernt werden. Die von Kontrollmarken freie Oberfläche könnte beispielsweise
aus kosmetischen oder ästhetischen Gründen oder
um strukturelle Integrität
zu gewährleisten
notwendig sein.
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In
Gebrauch könnte
ein Kühl-
oder Heizmedium an der rückwärtigen Fläche des
Werkzeugsystems gemäß den verschiedenen
Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung angewandt werden.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein
Verfahren zur Werkzeugoberflächenerzeugung
mithilfe eines modularen Werkzeugs vorgesehen, bei dem eine Mehrheit
von Elementen in einer Gruppierung angeordnet werden, wobei das
Verfahren folgende Schritte umfasst;
Bewegen der Elemente aus
einer geschlossenen Position, in der die Elemente einander berühren, in
eine offene Position, in der die Elemente der Gruppierung mit Abstand
voneinander angeordnet sind;
Bewegen der Elemente vertikal
zueinander, um eine gewünschte
Oberflächenkontur
des Werkzeugs zu schaffen und Zurückbewegen der Elemente von
der offenen Position in die geschlossene Position.
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Vorzugsweise
werden die Elemente der Gruppierung bearbeitet, wenn sich die Gruppierung in
der geschlossenen Position befindet, obwohl die Elemente bearbeitet
werden können,
wenn sich die Gruppierung in der offenen Position befindet.
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Als
andere Möglichkeit
könnten
obere Teile der Elemente der Gruppierung entfernt und unabhängig von
der Gruppierung bearbeitet werden.
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Die
Erfindung wird jetzt nur beispielhaft mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen
beschrieben, in denen;
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1 eine
bekannte Anordnung eines rekonfigurierbaren modularen Werkzeugs
zeigt, in der eine flexible Deckschicht auf einer Gruppierung vertikal
einstellbarer Stifte montiert ist;
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2 zeigt
ein Werkzeug gemäß der Erfindung,
einschließlich
einer Mehrheit von Elementen in einer Gruppe;
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3 zeigt
das Werkzeug der 2 bei dem die Elemente relativ
zueinander vertikal bewegt worden sind;
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4 zeigt
das Werkzeug der 2 und 3 bei dem
die Oberflächenkontur
des Werkzeugs mit einem Fräser
zu einer gewünschten
Form abgespannt wird;
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5 zeigt
einen Klammerrahmen zum Verriegeln der Elemente in der geschlossenen
Position;
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6 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Elemente der Gruppierung vor vertikaler
Bewegung der Elemente in eine offene Position bewegt werden;
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7 zeigt
das Werkzeug der 6, bei dem die Elemente vertikal
in die offene Position bewegt werden;
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8 zeigt
eine Mehrheit von quadratischen Elementen, die in einer alternativen
Gruppierung auf Tragschienen in der geschlossenen Position montiert
sind;
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9 zeigt
die Elemente der Gruppierung der 8 in die
offene Position bewegt;
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10 zeigt
eine Mehrheit von selbstführenden
Elementen, die in einer Gruppierung auf Tragschienen in der geschlossenen
Position montiert sind;
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11 zeigt
die Elemente der Gruppierung der 10 in
die offene Position bewegt und
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12 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, in der die Elemente der Gruppierung in Modulen angeordnet
sind.
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Indem
zuerst auf die 1 Bezug genommen wird, ist ein
bekanntes rekonfigurierbares modulares Werkzeug generell bei 10 angezeigt.
Eine Vielzahl mit Abstand angeordneter vertikal einstellbarer Stifte 12 ist
auf einer Antriebsbasis 14 so montiert, dass sich die Höhe jedes
Stifts 12 über
der Antriebsbasis 14 individuell einstellen lässt. Eine
flexible Deckschicht 16 ist an den Enden der Stifte 12 befestigt.
Eine gewünschte
Oberflächenkontur
der Deckschicht 16 kann durch Einstellen der individuellen
Höhen der
Stifte 12 einstellt werden. Die Einstellungen werden automatisch
durch einen Computer (nicht gezeigt) gesteuert, der mit der gewünschten
Kontur vorprogrammiert ist.
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Eine
erste Ausführungsform
des Werkzeugs gemäß der Erfindung
wird jetzt mit Bezugnahme auf die 2 bis 5 beschrieben.
Das Werkzeug wird generell bei 15 angezeigt und umfasst
eine Vielzahl von Elementen 18, die in einer geschlossenen Position
angeordnet sind, das heißt,
mit den Seiten benachbarter Elemente 18 in Berührung miteinander. Ein
oberes Ende 20 jedes Elements 18 bildet Teil einer
Werkzeugoberfläche 22.
Wie in der 5 gezeigt, umfasst das Werkzeug 15 neun
Elemente 18, die in einer Gruppierung 28 angeordnet
sind.
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Klammerelemente 24, 26 stellen
zusätzliche laterale
Unterstützung
bereit und sichern die Elemente 18 der Gruppierung 28 relativ
zueinander, wenn das Werkzeug 15 bearbeitet wird und in
Gebrauch ist.
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Um
die Oberflächenkontur 22 des
Werkzeugs 15 zu ändern,
werden die Klammerelemente 24, 26 freigegeben
und die Elemente 18 vertikal relativ zueinander durch ein
Antriebsmittel bewegt, um eine Annäherung der gewünschten
Werkzeugoberflächenkontur 22,
wie in der 3 gezeigt, zu produzieren. Das
Antriebsmittel ist optional entfernbar.
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In
der bevorzugten Anordnung (nicht gezeigt) umfasst das Antriebsmittel
eine sich nach unten erstreckende Gewindestange, die an die Unterseite
jedes Elements rotierbar montiert ist und gewindeartig mit dem Basisteil
in Eingriff ist. Die Elemente 18 werden durch Rotation
der Gewindestangen positionier, wovon jede von einem Elektromotor
angetrieben wird. In einer alternativen Anordnung (nicht gezeigt)
werden alle der Elemente 18 manuell gehoben und jedes Element
darf unter Schwerkraft auf eine gewünschte Position fallen, wo
das Element gesichert wird.
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Wenn
die Elemente vertikal positioniert worden sind, wird die Werkzeugoberfläche 22 mit
einem Fräser 62 bearbeitet,
wie es in der 4 zu sehen ist. Es ist nur ein
minimaler Grad von Bearbeitung nötig,
weil die Elemente 18 bereits, wie oben beschrieben, vor
der Bearbeitung positioniert worden sind. Es sollte nur ein Fertigschnitt
erforderlich sein, was bedeutet, dass typisch weniger als 5% jedes
Elements bei der Bearbeitung geopfert wird.
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Die
Elemente 18 sind aus zwei Teilen gebildet, einem entfernbaren
und bearbeitbaren oberen Teil 64 und einen unteren Teil 66,
der ein permanenter Teil des Werkzeugs ist und wie beschrieben angetrieben
werden kann. Wenn die Werkzeugoberfläche 22 bearbeitet
wird, wäre
es besser, dass die oberen Teile 64 der Elemente 18 im
zusammengebauten Werkzeug 15 bearbeitet werden. Wenn dies
aber, aufgrund der großen
Größe des Werkzeugs 15 nicht möglich ist,
dann können
die oberen Teile 64 vom Werkzeug 15 entfernt und
unabhängig
bearbeitet werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung, die in den 6 und 7 gezeigt
ist, werden die Elemente 18 der Gruppierung 28 aus
der in der 2 gezeigten Position, die eine
geschlossene Position ist, in eine offene Position bewegt, die in
der 6 gezeigt ist. Die Elemente 18 werden mittels
eines Elektromotors, Getriebe und Quersupports (nicht gezeigt) auseinander
getrieben. Wenn sich die Gruppierung 28 in der offenen
Position befindet, werden die Elemente 18 vertikal relativ
zueinander bewegt, wie es in der 7 durch
die Pfeile A angezeigt ist.
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Sobald
die Elemente 18 vertikal positioniert worden sind, wird
die Gruppierung 28 aus der offenen Position zurück in die
geschlossene Position bewegt. Abschließend werden die Elemente 18 der Gruppierung 28 durch
die Klammerelemente 24, 26, siehe hierzu 5 gesichert
und die Werkzeugoberfläche 22 wird
gebrauchsfertig bearbeitet.
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Eine
alternative Gruppierung 30 ist in den 8 und 9 in
den geschlossenen bzw. offenen Positionen gezeigt. Supportschienen 31 bis 38 tragen
jeweilige Elemente 41 bis 48 und werden auseinander
getrieben, um die Elemente der Gruppierung 30 zwischen
den geschlossenen und offenen Positionen zu bewegen, wie es durch
die Pfeile B angezeigt ist.
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Die
Spitzen angrenzender Elemente, beispielsweise Elemente 41 und 42,
haben Diagonalen, die in der geschlossenen Position fluchten und
einander berühren.
Um die Spitzen 71, 72 von den angrenzenden Elementen 41, 42 zu
trennen, sind die Elemente 41, 42 auf separaten
Supportschienen 31, 32 montiert. Ebenso sind die
angrenzenden Elemente 43, 44; 45, 46 und 47, 48 auf
separaten Supportschienen montiert.
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Die 10 und 11 zeigen
eine weitere Gruppierung 50 in den geschlossenen bzw. offenen Positionen.
Die Supportschienen 51 bis 54 tragen jeweilige
Elemente 55 bis 58 und werden auseinander getrieben,
um die Elemente der Gruppierung 50 zwischen den geschlossenen
und offenen Positionen zu bewegen, wie es durch die Pfeile C angezeigt
ist. In der Gruppierung 50 sind die Elemente 55 bis 58 im Querschnitt
nicht quadratisch aber im Wesentlichen viereckig und sind mit einer
spitzen Spitze und einer entsprechend geformten Aussparung gebildet,
wie es bei 59 bzw. 60 an einem der Elemente 55 gezeigt ist.
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Die
spitze Spitze 59 und die Aussparung 60 sind in
axialer Fluchtung an entgegengesetzten Spitzen jedes Elements 55, 56, 57, 58 positioniert
und sind koaxial mit der Richtung der Öffnungs- und Schließbewegung
der Gruppierung 50.
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Folglich
rasten die Spitzen 59, wenn sich die Gruppierung 50 in
der geschlossenen Position befindet, in entsprechende Aussparungen 60 angrenzender
Elemente ein, wie beispielsweise die Spitze 61 des Elements 57,
die sich in die Aussparung 60 des Elements 55 positioniert.
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Diese
Anordnung hat den Vorteil, dass die Spitzen 75 der angrenzenden
Elemente 55 einander in der geschlossenen Position nicht
berühren.
Folglich wird nur eine Supportschiene 51 benötigt, um
die angrenzenden Elemente 55, bei der Bewegung von der
geschlossenen in die offene Position der Gruppierung 50,
zu tragen. Ebenso benötigen
die anderen angrenzenden Elemente 56, 57, 58 nur
eine jeweilige Supportschiene 52, 53, 54 für jede Reihe
angrenzender Elemente. Überdies
fügt die
ineinandergreifende Natur der Spitzen und Aussparungen dem Werkzeug 15 Festigkeit
hinzu und hilft die Elemente der Gruppierung 50 bei der
Bewegung von der offenen in die geschlossene Position zu führen.
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Eine
weitere alternative Anordnung ist in der 12 gezeigt,
in der die Elemente der Gruppierung in als A, B und C identifizierten
Modulen angeordnet sind. Die Module A, B und C könnten in der gleichen Ebene
angeordnet sein oder könnten
in einer Anordnung mehrfacher Ebene, wie in der 12 gezeigt,
gestapelt sein.
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Obwohl
die in den Abbildungen gezeigten Elemente 18 alle der gleichen
Größe sind,
lassen sich verschiedene Größen des
Elements 18 in unterschiedlichen Werkzeuganwendungen verwenden. Zum
Beispiel wird, in Bereichen der Werkzeugoberfläche 22, wo große Geometrieverhältnisse
erforderlich sind, das heißt
der Tiefenbereich in der Werkzeugoberflächenkontur ist im Vergleich
zu seiner Breite groß,
wird dann durch Verwendung einer größeren Zahl kleinerer Elemente 18 weniger
Bearbeitung jedes der Elemente notwendig.
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Für Werkzeuge 15,
die beim Vakuumformen verwendet werden sollen, sind Durchgangsbohrungen
(nicht gezeigt) in den Elementen 18 zwischen der Werkzeugoberfläche 22 und
der Unterseite der Elemente bereitgestellt, die an eine Vakuumpumpe
angeschlossen sind. Als andere Möglichkeit
könnten die
Elemente in einen Querschnitt gebildet werden, der nicht völlig schachbrettartig
wird. Wenn in einer geschlossenen Gruppierung angeordnet, haben
diese Elemente (nicht gezeigt) Kanäle dazwischen, die sich zur
Werkzeugoberfläche
erstrecken und die zur Anwendung eines Vakuums verwendet werden
können.
Ein positiver Druck kann ebenso auf die Werkzeugoberfläche 22 durch
die Bohrungen oder Kanäle aufgebracht
werden, um das Werkzeug zu kühlen oder
ein Produkt von der Werkzeugoberfläche 22 zu entfernen.