EP2484515B1

EP2484515B1 - Stanzvorrichtung für Faserverbundwerkstoffe

Info

Publication number: EP2484515B1
Application number: EP11192575.6A
Authority: EP
Inventors: Michael Schillinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2031-12-08
Also published as: EP2484515A2; ES2612586T3; EP2484515A3; DE102011003625A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Stanzvorrichtung zur Stanzung von Faserverbundwerkstoffen gemäß dem Anspruch 1.
Bei Stanzvorrichtungen des Stands der Technik zur Stanzung von Stahl- oder Aluminiumblechen müssen stets Hydraulikaggregate eingesetzt werden, um die notwendige Stanzkraft erzeugen zu können. Dies gilt nicht nur für in Alleinstellung betriebene Stanzvorrichtungen, sondern auch für Kombinationsanlagen aus Stanz- und Umformvorrichtung, bei denen zunächst ein Rohling ausgestanzt wird, der anschließend mit Pressen in mehreren Schritten in die gewünschte Endform umgeformt wird. Bei derartigen Anlagen ist es sowohl für die Stanzvorrichtung als auch für die Presse vorgesehen, die notwendigen Stanz- bzw. Presskräfte durch Hydraulikaggregate bereitzustellen.
Nachteilig an Stanzvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik ist zum einen der hohe Energieverbrauch, der dadurch entsteht, dass die Hydraulikkraft durch eine Pumpe und somit letztlich durch elektrische Energie erzeugt wird. Dabei ist der Wirkungsgrad äußerst ungünstig. Zum anderen müssen Hydraulikanlagen bauseitig gegen hydraulische Lecks abgesichert sein und mit einer zusätzlichen Kühlungsanlage gekühlt werden. Die durch die Vielzahl der Aggregate in großer Anzahl vorzusehenden Bauteile bedeuten einen hohen Investitionsbedarf sowohl bei der Anschaffung, als auch bei dem Unterhalt bzw. der Wartung der Anlage.
Dokument US2008/0092712 A1 offenbart eine Stanzvorrichtung,
die mehrere Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Ausgehend von diesen Nachteilen ist es Aufgabe der Erfindung, für einen vorbestimmten Werkstoff eine Stanzvorrichtung bereitzustellen, die prozesskostengünstiger betrieben werden kann und dabei insbesondere weniger Energie verbraucht.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Stanzvorrichtung gemäß Anspruch 1, die erfindungsgemäß bezüglich ihres Einsatzes beschränkt ist auf die Stanzung von Faserverbundwerkstoffen, mit einem Stanzstempel, der über eine Antriebseinheit angetrieben wird, wobei die Antriebseinheit zur Erzeugung der in dem Stanzstempel wirkenden Stanzkraft ausschließlich elektrisch betrieben ist. Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, die Stanzvorrichtung ohne jede hydraulische Unterstützung, d.h. ohne Einsatz von Hydraulikaggregaten wie beispielweise der Hydraulikpumpe zu betreiben und somit die Investitionskosten, die Prozesskosten und insbesondere den Energieverbrauch der Stanzvorrichtung während des Betriebs zu reduzieren. Dies geschieht dadurch, dass die elektrische Energie unmittelbar und ausschließlich bei der Antriebseinheit an einem Elektromotor eingesetzt wird, so dass der Wirkungsgrad gegenüber Anlagen mit Hydraulikpumpe, die Verlustleistungen mit sich bringen, höher ist. Die bei der Verwendung von Hydraulikanlagen unbedingt notwendigen Zusatzaggregate wie beispielsweise ein angeschlossenes Kühlsystem können ebenfalls wegfallen. Hydraulik- und Kühlungsanlagen verwenden üblicherweise Öl bzw. Wasser als liquides Medium und müssen deshalb gegen Leckagen abgesichert werden. Derartige Anlagen sind wartungs- und somit kostenintensiv. Durch deren Wegfall erhöht sich neben dem Wirkungsgrad der ausschließlich elektrisch betriebenen Stanzvorrichtung auch die Betriebszeit, in der die Anlage ohne Unterbrechung für einzuhaltende Wartungsintervalle arbeitet, deutlich.
Ein weiterer Vorteil einer ausschließlich elektrisch betriebenen Stanzvorrichtung für Faserverbundwerkstoffe ist, dass die Prozesszuverlässigkeit hoch ist und die Ausschussquoten somit auf ein Minimum reduziert sind. Die Prozesszuverlässigkeit wird wesentlich von der Störanfälligkeit der einzelnen Aggregate der Stanzvorrichtung beeinflusst, die erfindungsgemäß nur auf den elektrischen Antrieb reduziert sind. Ausfälle der Anlage aufgrund von Fehlern im Hydraulik-oder Kühlungssystem sind überwunden.
Die Erfindung richtet sich nicht auf Stanzvorrichtungen, mit denen Aluminium oder Stahlrohlinge aus Blechen ausgestanzt werden, sondern auf Kleinstanzungen in Faserverbundwerkstoffen. Derartige Faserwerkstoffe können beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern, Kohlefasern oder Naturfasern enthalten. Die durch den Stanzstempel auszustanzende Stanzfläche ist im Wesentlichen auf maximal 10 cm², vorzugsweise 0,5 bis 2 cm², weiter bevorzugt 0,8 cm², noch weiter bevorzugt auf 0,5 cm² beschränkt. Dabei kann der Stanzstempel ausgebildet sein, Kreuzstanzungen, Ovalstanzungen, Rundlochstanzungen, Rautenstanzungen, Sternstanzungen, Rechteckstanzungen, Winkelstanzungen oder Quadratstanzungen durchzuführen, um nur einige der möglichen Formen zu nennen. Die Erfindung ist ebenfalls nicht darauf gerichtet, aus Faserverbundwerkstofflagen großflächige Einzelrohlinge auszustanzen, die später beispielsweise als Dach- oder Motorhaube eines Automobils zur Anwendung kommen. Für die erfindungsgemäß vorgesehenen Kleinstanzungen bis zu 10 cm² Stanzfläche reicht die durch den ausschließlich elektrischen Antrieb geleistete Stanzkraft aus.
In einer vorteilhaften Ausführung weist die Stanzvorrichtung eine Regelung auf, um die abgegebene Leistung der ausschließlich elektrisch betriebenen Antriebseinheit zu regeln. Hierzu kann die Regelung eine Mess-Rückkopplung umfassen, mit der eine Feinsteuerung des Stanzstempels erzielbar ist. Mit der Mess-Rückkopplung kann über die an der Antriebseinheit gemessene Stromstärke die eingesetzte Stanzkraft unmittelbar überprüft werden. Das ist deshalb günstig, da hierdurch der verwendete Faserverbundwerkstoff auf Strukturfehler der Stanzung überprüfbar ist. Für das jeweilige Material kann der Stanzvorrichtung ein Sollwert für die Stromstärke vorgegeben werden, dessen Einhaltung sowie Abweichungen hiervon mit der Mess-Rückkopplung kontrolliert werden. Dabei ist um den vordefinierten Sollwert der Stromstärke ein Korridor vorgesehen, mit dem tolerierte Abweichungen der Stromstärke nach oben bzw. unten bestimmt werden. Bei Verlassen des Korridors, d.h. einem Betrieb der Stanzvorrichtung mit einer Stromstärke außerhalb des vordefinierten Bereichs, kommt es zur automatischen Abschaltung der Maschine oder das gestanzte Teil wird dem Ausschuss zugeführt. Im Gegensatz zu Anlagen mit Hydraulikpumpe kann die Stromstärke unmittelbar und hochgenau mittels elektrischer Messgeräte gemessen werden. Auf diese Weise wird ein hohes Maß an Zuverlässigkeit im Prozess realisierbar sowie eine gleichbleibend hohe Qualität von Massenbauteilen gewährleistet.
Die über die Regelung und Mess-Rückkopplung erzielte Feinsteuerung des Stanzstempels steuert diesen bezüglich seiner Position auf dem Faserverbundwerkstoff, bezüglich seiner Vorschubgeschwindigkeit auf und durch den Faserverbundwerkstoff und bezüglich der letztlich aufgebrachten Stanzkraft. Bei Abweichungen der an der Antriebseinheit gemessenen Stromstärke innerhalb des Korridors kann somit bei jedem Stanzvorgang unmittelbar auf die vorliegenden Materialeigenschaften an der entsprechenden Stanzposition reagiert werden, um die Stanzkraft entsprechend zu erhöhen oder zu verringern. Ist der Widerstand des Faserverbundwerkstoffs während der Stanzung höher als der Durchschnittssollwert, beispielsweise aufgrund von einem an der Stanzposition angeordneten Faserbündel, führt dies zu einer erhöhten Stromstärke an der Antriebeinheit. Bei Faserbrüchen oder sonstigen Materialdefekten an der Stanzposition im Faserverbundwerkstoff kann die Stromstärke hingegen geringer sein. Die über die Regelung betriebene Feinsteuerung erfolgt rechnergestützt und kann unverzüglich auf erfasste Stromstärken reagieren. Ferner kann in einer bevorzugten Ausführung vorgesehen sein, die Regelung bzw. Feinsteuerung online zu überwachen.
Die Möglichkeit der Erfassung der Stanzkraft in unmittelbarer Abhängigkeit von der an der Antriebseinheit gemessenen Stromstärke ist in der nachfolgenden Figur näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1: ein Diagramm, mit gegeneinander aufgetragener Stromstärke und Stanzkraft.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Diagramm ist die Stromstärke I gegenüber der Stanzkraft F der Stanzvorrichtung aufgetragen, wobei die Stromstärke I die Ordinate und die Stanzkraft F die Abszisse bildet. Durch eine ausschließlich elektrisch angetriebene Stanzvorrichtung kann durch Messung der Stromstärke I an der Antriebseinheit die aufgewendete Stanzkraft F erfasst werden. Beispielhaft schematisch sind drei Stanzvorgänge S1, S2, S3 dargestellt.
Mit dem Aufsetzen des Stanzstempels auf den Faserverbundwerkstoff steigen sowohl Stanzkraft F als auch Stromstärke I an, bis das Material durchdrungen ist. Für jeden zu stanzenden Faserverbundwerkstoff kann eine Soll-Stromstärke I_soll festgelegt werden, die ein Stanzen durch fehlerfreies Faserverbundmaterial wiederspiegelt. Eine Stanzung durch fehlerfreies Material, wie sie der Regelfall sein sollte, ist mit S1 gekennzeichnet. Bei fehlerhaftem Material, beispielsweise bei Faserbündeln oder Leerstellen im Faserverbundwerkstoff sind Abweichungen in der Stempelstanzkraft F und der Stromstärke I feststellbar. Eine Stanzung auf einen Faserverbundwerkstoff mit Leerstelle an der Stanzposition ist mit S2, eine Stanzung auf ein unerwünschtes Faserbündel innerhalb des Faserverbundwerkstoffs mit S3 gekennzeichnet, wobei bei erhöhtem Widerstand durch Faserbündel eine überhöhte Stanzkraft F, bei reduziertem Widerstand an Leerstellen oder Faserbrüchen eine zu geringe Stanzkraft F die Folge ist. Um die vorab definierte Soll-Stromstärke I_soll ist ein Korridor mit maximaler und minimaler Stromstärke I_max, I_min festgelegt, so dass Stanzungen innerhalb und außerhalb einer vorgegebenen Streuung als normgerecht definierbar sind. Die innerhalb des Korridors durchgeführten Stanzungen gelten als normgerecht. Stanzungen, bei denen die Stromstärke I und somit die Stanzkraft F zu hoch (S3) oder zu gering (S2) gemessen wurde, gelten als außerhalb der vorher festgelegten Norm.
Außerhalb des Korridors liegen in Fig. 1 die Stanzungen S2, S3 Diese können gesondert behandelt werden, beispielsweise als Ausschuss von den übrigen Teilen getrennt. Auch kann vorgesehen sein, dass Stanzungen außerhalbe des Korridors einer Nachprüfung unterzogen werden. Durch Messung der Stromstärke I an der Antriebseinheit wird somit die Stanzkraft F überwacht. Es kann somit eine gleichbleibende Qualität der Stanzungen für den Einsatz auch von Teilen, hergestellt in Massenproduktion gewährleistet werden. Auch ist dieses Mittel zur Überprüfung der Stanzung leicht realisierbar, da die in Fig. 1 dargestellten Ergebnisse rechnergestützt überwachbar sind.

Claims

Stanzvorrichtung zur Ausführung von Kleinstanzungen in Faserverbundwerkstoffen mit einer auf 10 cm² beschränkten auszustanzenden Stanzfläche, mit einem Stanzstempel, der über eine Antriebseinheit angetrieben wird, wobei die Antriebseinheit zur Erzeugung der an dem Stanzstempel wirkenden Stanzkraft ausschließlich elektrisch betrieben ist, wobei eine Regelung vorgesehen ist, welche die abgegebene Leistung der Antriebseinheit regelt und die Regelung eine Mess-Rückkopplung umfasst, mit der eine Feinsteuerung des Stanzstempels während der Stanzung erzielbar ist, wobei über die Stromstärke an der Antriebseinheit die eingesetzte Stanzkraft unmittelbar überprüfbar ist, und der Regelung ein Sollwert für die Stromstärke vorgegeben ist, der mit der Mess-Rückkopplung überprüfbar ist, wobei die über die Regelung und Mess-Rückkopplung erzielte Feinsteuerung den Stanzstempel bezüglich seiner Position auf dem Faserverbundwerkstoff, bezüglich seiner Vorschubgeschwindigkeit auf und durch den Faserverbundwerkstoff und bezüglich der aufgebrachten Stanzkraft steuert, wobei für die Stromstärke ein vordefinierter Korridor vorgesehen ist, bei dessen Verlassen die Stanzvorrichtung automatisch abgeschaltet oder das gestanzte Teil dem Ausschuss zugeführt wird.
Stanzvorrichtung nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinsteuerung den Stanzstempel bezüglich Position, Vorschubgeschwindigkeit und Stanzkraft steuert.
Stanzvorrichtung nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinsteuerung rechnergestützt erfolgt und online überwachbar ist.