EP2986444A1 - Bearbeitungswerkzeug zum thermischen bearbeiten von bauteilen - Google Patents

Bearbeitungswerkzeug zum thermischen bearbeiten von bauteilen

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Publication number
EP2986444A1
EP2986444A1 EP14722089.1A EP14722089A EP2986444A1 EP 2986444 A1 EP2986444 A1 EP 2986444A1 EP 14722089 A EP14722089 A EP 14722089A EP 2986444 A1 EP2986444 A1 EP 2986444A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cover layer
machining tool
support structure
cooling
tool according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14722089.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matti Reppe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qpoint Composite GmbH
Original Assignee
Qpoint Composite GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qpoint Composite GmbH filed Critical Qpoint Composite GmbH
Publication of EP2986444A1 publication Critical patent/EP2986444A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B15/00—Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
    • B30B15/06—Platens or press rams
    • B30B15/062—Press plates
    • B30B15/064—Press plates with heating or cooling means

Definitions

  • the invention relates to an electrically heatable machining tool for the thermal processing of components, for. B. for use for thermal prototyping, forming or joining of components.
  • a thermal treatment i. H. a heat input
  • a component to be machined In many manufacturing processes, a thermal treatment, i. H. a heat input, in a component to be machined. So it is z. It is known, for example, to provide heated and / or cooled metal tools in the press in pressing processes, or alternatively to use unheated metal tools in a heated and / or cooled press.
  • DE 10 2004 042 422 A1 discloses a molding tool having a fiber composite structure with a plastic matrix in which an electrical resistance heating element is embedded. Further describes
  • WO 2008/067809 A2 a molding tool having a fiber composite structure and an electrical resistance heating element, wherein the arrangement forming the resistance heating element is formed in the form of biaxial or multi-axial fabrics or carbon fiber layers.
  • the above-mentioned heatable metallic molds are associated with high acquisition and operating costs. In addition, they have due to their high mass and heat capacity on a correspondingly high energy consumption and high thermal inertia, which is associated with correspondingly large cycle times.
  • Such metallic molds can be equipped with a cooling in addition to the heating to allow faster cooling of the machined components. Due to the good thermal conductivity of metals, metallic molds allow a relatively homogeneous temperature control of the components to be machined even with inhomogeneous temperature input, however, both during heating and during cooling, a large part of the energy used for tempering the mold is required and thus goes to tempering lost the component.
  • Molded fiber composite materials are associated with lower costs and can be designed with lower mass, heat capacity and thermal conductivity, however, the known fiber composite molds do not permit (active) cooling, which adversely affects, inter alia, cycle times (heat-up cooling cycle).
  • the invention has for its object to provide a cost-effective, stable machining tool for the thermal processing of components, by means of which short cycle times are made possible with low energy consumption.
  • a machining tool for the thermal processing of components -. B. for thermal prototyping, forming or joining eg., Bonding of two components by means of heat input
  • the machining tool can thus z. B. act as a mold, in particular as a pressing tool, or as a joining tool.
  • the machining tool has a front cover layer with an electrical resistance heating element for heating the cover layer.
  • the top layer can z. B. be a cover layer of fiber-reinforced plastic material, wherein an electrical resistance heating element is embedded in the plastic material or in the top layer.
  • the cover layer may also have or be a metallic cover plate (eg made of a thin sheet metal) which is provided with a resistance heating element.
  • the cover layer has a front side provided for contacting a component to be processed and a rear side remote from the same.
  • the top layer can z. B. in the form of a flat plate, but may also have a different shape and will generally have a three-dimensional shape.
  • a support structure of fiber-reinforced plastic material is arranged, wherein the support structure is profiled alternately or alternately with bulges arched away from the back and arched out indentations and arranged so that by means of the bulges as cooling channels functioning channels are formed, the run along the back of the top layer.
  • the support structure is, so to speak, shaped like a corrugated sheet (ie, the support structure has the form of a folded or corrugated plate), whereby the transverse cut and the arrangement of the formed cooling channels are defined by the waveform of the support structure.
  • the support structure is arranged (along the indentations) contacting the cover layer back, z. B. glued to the same.
  • the machining tool can also have a support structure.
  • the support structure is formed by a support material filling or indenting the indentations of the support structure.
  • the support material is preferably a thermally insulating material.
  • the support material may, for. B. a (cured) epoxy resin or an educated by means of an epoxy resin, the z to increase its thermal insulation.
  • B. a filler material may be added from a thermally insulating material.
  • the filling material may be a lumpy or granular material, for. For example, glass beads may be provided as filling material.
  • the mechanical stability and the dimensional stability of the machining tool are mainly determined by the support structure, which also serves to transfer occurring pressure and shear forces as well as for the spatial separation of the hot and the cold tool side from each other.
  • the support structure back-filling or supporting support structure the stability of the machining tool can be additionally increased, wherein the support structure also acts as a thermal insulation.
  • a cooling fluid flows through the cooling channels during the cooling step, and during the heating step, the cooling channels are not flowed through (but evacuated or with a stationary, non-flowing - and, for example, thermally insulating - fluid are filled).
  • the cooling fluid may be a gaseous medium (eg, compressed air) or a liquid medium (eg, water).
  • the cooling channels between a weggewölbten from the top layer back section are formed and thus the cooling fluid is in direct contact with the cover layer, is also an effective heat dissipation made possible even with a poor heat conductive cover layer.
  • the cooling fluid flow is interrupted and the cooling channels are thus not flowed through during the heating of the component to be thermally processed by a cooling fluid, the channel cavities can act as a thermal insulation during heating, so that the supplied heating energy substantially for tempering the components to be machined is available and only a small proportion of energy is lost for heating the machining tool.
  • the support structure made of thermally insulating material can additionally have an insulating effect and thus minimize a heat flow running between the back or unheated side of the machining tool and the heatable cover layer, whereby the required energy expenditure is reduced even further during the heating as well as during the cooling and a homogeneous temperature distribution over the top layer away is possible.
  • the machining tool allows a rapid heating and cooling of the top layer (and consequently correspondingly low cycle times) with a homogeneous temperature distribution with low energy consumption.
  • the machining tool consists at least partially of fiber-reinforced plastic material, the machining tool can be provided inexpensively and with a low weight, wherein by means of the support structure in connection with the support structure nevertheless a high stability is ensured.
  • the cover layer may consist of fiber-reinforced plastic material, for. B. made of carbon fiber reinforced plastic and / or glass fiber reinforced plastic. However, it can also be provided that the cover layer has a metallic cover plate.
  • the electrical resistance heating element may, for. B. one or more metallic heartssSchabête, z. B. Resistance heating, have or from den- exist same.
  • the electrical resistance heating element may also comprise one or more carbon fiber resistance heating sections, e.g. B. comprise one or morelvessSchstr brieflye of carbon fibers, or consist of the same.
  • Such a heating element can, for. B. from a carbon fiber roving roving, wherein the roving z. B. may consist of unidirectional carbon fibers.
  • the resistance heating element can have one or more strand-shaped resistance heating sections (eg, metallic resistance heating wires or resistance heating strands consisting of carbon fibers) that form a meandering manner along the cover layer, or consist of the same.
  • the resistance heating element (or its sections) is electrically insulated by surrounding electrically insulating regions, except for connection sections provided for connecting the resistance heating element to an electrical voltage source.
  • the resistance heating z. B. be electrically insulated by surrounding electrically insulating portions of the fiber composite structure. Such electrically insulating areas may, for. B. be formed by glass fiber reinforced plastic material.
  • the support structure is also made of fiber reinforced plastic material, for. B. made of carbon fiber reinforced plastic and / or glass fiber reinforced plastic.
  • the shape and dimensions of the cooling channels are defined by the wave profile of the support structure. Accordingly, the shape and the dimensions of the cooling channels can be adapted to a respective requirement profile by appropriate design of the wave profile of the support structure.
  • the support structure is formed such that the cooling channels have a trapezoidal cross-section; wherein the longer of the two mutually parallel bases of the trapezoid is given by the boundary portion formed by the cover layer back of the respective cooling channel and the channel thus has a widening in the direction towards the cover layer in cross-section.
  • the cooling channels can z. B. be formed such that its cross section has the shape of an isosceles, symmetrical trapezoid, wherein the longer of the two parallel bases of the trapezium is formed by the top layer.
  • the cooling channels are formed with a trapezoidal, widening in the direction of the cover layer cross-section, a large contact surface between the interior of the cooling channels and the cover layer is possible, whereby during heating effective thermal insulation of the cover layer and during cooling effective heat dissipation of the cover layer is possible.
  • a high stability of the support structure and the support structure - and thus also of the machining tool - against acting on the front of the cover layer pressure loading allows by means of the resulting, curved trapezoidal to the cover layer indentations, which is particularly advantageous when using the machining tool as a pressing tool.
  • the support structure is formed such that the cooling channels have a rectangular cross-section.
  • This can be z. B. be provided in applications where a lower stability of the machining tool is sufficient.
  • a rectangular channel cross-section with respect to a trapezoidal channel cross-section allows a larger flow cross-section and thus also a larger volume flow of the cooling fluid for the same contact surface between the interior of a cooling channel and the cover layer.
  • the flow cross-section of the cooling channels has a different shape than a trapezoidal or rectangular shape.
  • the support structure and the cooling channels are preferably designed such that the contact surface at which the support structure contacts the cover layer back side is not greater than 30%, in particular not greater than 15%, of the total surface of the cover layer back side.
  • the processing tool may further comprise an unheated base layer or rear cover layer, which is arranged in contact with the support structure, for. B. is laminated to the support structure.
  • the base layer has symmetry reasons, preferably the same geometry as the cover layer and z. B. made of fiber-reinforced plastic material, for. B. from the same fiber-reinforced plastic material as the heated front cover layer.
  • the machining tool has a cooling device which is designed such that a cooling fluid (for example compressed air, oil or water) can be passed from it through the cooling channels.
  • a cooling fluid for example compressed air, oil or water
  • the heating step may, for. For example, a temperature raising portion during which a temperature rise to a predetermined heating temperature, and a constant temperature portion, during which the temperature is kept constant at the predetermined heating temperature have.
  • the cooling device may be configured such that no cooling fluid is passed through it by the cooling channels during the heating step, i. h .. the cooling channels are not flowed through during the heating step of the cooling fluid.
  • the cooling fluid flow interrupted and / or the cooling fluid discharged from the channels.
  • the cooling device may be configured such that during the cooling step, the cooling fluid is passed through the cooling channels, so that the cooling channels are flowed through by the cooling fluid.
  • the machining tool according to the embodiments described above, z. B. a mold, in particular a pressing tool to be.
  • the mold can in particular for primary forming or forming of components of thermally influenced materials, eg. As plastics or fiber composites may be provided.
  • 1 is a sectional view of a machining tool according to an embodiment
  • FIG. 2 is an illustration of the arrangement of a resistance heating element
  • FIG. 3 is a sectional view of a machining tool according to another embodiment.
  • FIG. 1 shows a processing tool 1 according to an embodiment in a sectional representation.
  • the machining tool 1 is a molding tool 1, here by way of example a pressing tool 1.
  • the pressing tool 1 has a front cover layer 3 of fiber-reinforced plastic material, wherein an electrical resistance heating element 5 is embedded in the cover layer 3 and the cover layer 3 is thus heatable.
  • the cover layer 3 has a front side 7 and a rear side 9, wherein the front side 7 is provided for contacting the component to be molded (not shown) and thus forms the shaping surface of the molding tool 1.
  • the top layer 3 is shown as a flat plate, but the top layer can be made with any three-dimensional shape.
  • the electrical resistance heating element 5 consists of a roving or bundle of carbon fibers, the bundle being arranged in a meandering manner along the shaping front side 7 of the cover 3 (see FIG. 2).
  • the cover layer 3 is made of carbon fiber reinforced plastic, wherein the resistance heating element 5 by means of the same surrounding areas of fiberglass reinforced reinforced plastic (not shown) is electrically isolated from the surrounding carbon fiber reinforced plastic.
  • the molding tool 1 further has a contact structure arranged on the back side 9 of the cover layer 3.
  • the support structure 11 is made of carbon fiber reinforced plastic and has a corrugated sheet-like shape with trapezoidal wave crests and wave troughs, wherein the support structure 11 alternately with away from the backsheet 9 rear troughs or bulges 13 and the cover layer back 9 dished wave crests or indentations 15th profiled.
  • 13 cooling channels 17 are formed by means of the bulges.
  • the channels 17 are bounded by the bulges 15 of the support structure 3 and the cover side reserve 9 and extend with their longitudinal direction along the cover layer 9 back side, d. H. according to Figure 1 along the y-direction of the illustrated xyz Koordinatenatensaystems.
  • the molding tool 1 also has a support structure 19.
  • the supporting structure 19 is formed by a (hardened) epoxy resin which backfills the indentations 15 of the supporting structure 3 and is mixed with glass beads as thermally insulating filling material.
  • the mold 1 has a rear base layer 21 which is laminated onto the support structure 19.
  • the rear base layer 21 is made of carbon fiber reinforced plastic and corresponds in size to those of the front cover layer 3.
  • the base layer 21 also of the support structure 11, in particular of the bulges 13 of the support structure 11, contacted and bonded to the same.
  • Each of the cooling channels 17 has a flow cross-section in the form of an isosceles, symmetrical trapezoid, wherein the longer of the two parallel bases of the trapezoid on the cover layer 3 and the shorter of the two parallel bases of the trapezoid on the base layer 21 is arranged.
  • the ratio of the contact surface at which the support structure 11 contacts the cover layer rear side 9 is approximately 15% of the total area of the cover layer rear side 9.
  • FIG. 2 illustrates a plane parallel to the xy plane, ie parallel to the cover layer.
  • the carbon fiber bundle 5 acting as a resistance heating element 5 is arranged meandering along the cover layer in such a way that it permits a planar temperature control of the cover layer 3.
  • the resistance heating element 5 has two contact terminals 23 protruding from the cover layer 3, wherein the resistance heating element 5 can be activated by applying an electric voltage to the two contact terminals 23.
  • the molding tool 1 according to FIGS. 1 and 2 also has a cooling device (not shown), which is designed to pass through compressed air through the cooling channels 17 as compressed air serving as cooling fluid.
  • a heating step is first carried out by means of the molding tool 1 by applying an electrical voltage between the two contact terminals 23 of the resistance heating element 5 and thus heating the cover layer 3.
  • a cooling step is carried out by means of the cooling device by passing the cooling fluid through the cooling channels 17 (ie entering the cooling channels 17 at one longitudinal end, flowing through them along the y-direction and at the other longitudinal end of the cooling channels emerges from the same). During the heating step, no cooling fluid is passed through the cooling channels.
  • FIG. 3 illustrates a machining tool 1 according to a further embodiment.
  • the embodiment according to FIG. 3 differs from that according to FIGS. 1 and 2 only in that it can be replaced by a corresponding design of the support structure 11 with cooling channels 17 having a rectangular cross-section is trained.
  • the cover layer front side is separated (ie wetted with a release agent). Thereafter, the component to be molded is brought into contact with the top layer front side, z. B. placed on the top layer front side. Now, the pressing tool is acted upon by the predetermined process pressure and the heating is switched on (ie, the heating element embedded in the cover layer is subjected to an electrical voltage). The component is cured in the form defined by the cover layer front mold, then the heater is turned off and the cooling channels are flowed through by a cooling fluid. Finally, the machined component is removed from the mold.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bearbeitungswerkzeug (1) zum thermischen Bearbeiten von Bauteilen, wobei das Bearbeitungswerkzeug eine Decklage (3) mit einem elektrischen Widerstandsheizelement (5) zum Beheizen der Decklage (3) und eine an der Rückseite der Decklage kontaktierend angeordnete Tragstruktur (11) aus faserverstärktem Kunststoffmaterial aufweist, wobei die Tragstruktur (11) alternierend mit von der Rückseite weggewölbten Ausbuchtungen (13) und zu der Rückseite hingewölbten Einbuchtungen (15) derart profiliert ist, dass mittels der Ausbuchtungen (13) entlang der Rückseite verlaufende Kühlkanäle (17) gebildet sind.

Description

Bearbeitungswerkzeug zum thermischen Bearbeiten von Bauteilen
Die Erfindung betrifft ein elektrisch beheizbares Bearbeitungswerkzeug zum thermischen Bearbeiten von Bauteilen, z. B. zur Verwendung zum thermischen Urformen, Umformen oder Fügen von Bauteilen.
Bei vielen Herstellungsverfahren erfolgt eine thermische Behandlung, d. h. ein Wärmeeintrag, in ein zu bearbeitendes Bauteil. So ist es z. B. bekannt, bei Pressverfahren beheizte und/oder gekühlte Metallwerkzeuge in der Presse bereitzustellen oder alternativ unbeheizte Metallwerkzeuge in einer beheizten und/oder gekühlten Presse zu verwenden. Des Weiteren sind z. B. Formwerkzeuge bekannt, die eine formgebende Struktur aus einem Faserverbundmaterial mit einer elektrisch betreibbaren Heizung aufweisen. Diesbezüglich beschreibt z. B. DE 10 2004 042 422 A1 ein Formwerkzeug mit einer Faserverbundstruktur mit einer Kunststoffmatrix, in die ein elektrisches Widerstandsheizelement eingebettet ist. Ferner beschreibt
WO 2008/067809 A2 ein Formwerkzeug mit einer Faserverbundstruktur und einem elektrischen Widerstandsheizelement, wobei die das Widerstandsheizelement bildende Anordnung in Form von biaxialen oder multiaxialen Geweben oder Gelegen aus Kohlenstofffasern gebildet ist.
Die oben erwähnten beheizbaren metallischen Formwerkzeuge sind mit hohen An- schaffungs- und Betriebskosten verbunden. Zudem weisen sie aufgrund ihrer hohen Masse und Wärmekapazität einen entsprechend hohen Energieverbrauch und eine hohe thermische Trägheit auf, was mit entsprechend großen Taktzeiten einhergeht. Derartige metallische Formwerkzeuge können neben der Heizung auch mit einer Kühlung ausgestattet sein, um ein schnelleres Abkühlen der bearbeiteten Bauteile zu ermöglichen. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Metallen ermöglichen metallische Formwerkzeuge zwar auch bei inhomogenem Temperatureintrag ein relativ homogenes Temperieren der zu bearbeitenden Bauteile, jedoch ist sowohl beim Auf- heizen als auch beim Abkühlen ein großer Teil der eingesetzten Energie zum Temperieren des Formwerkzeugs erforderlich und geht somit zum Temperieren des Bauteils verloren. Formwerkzeuge aus Faserverbundwerkstoffen sind mit geringeren Kosten verbunden und können mit einer geringeren Masse, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein, jedoch ermöglichen die bekannten Formwerkzeuge aus Faserverbundwerkstoffen keine (aktive) Kühlung, was sich u. a. negativ auf die Taktzeiten (AufheizVAbkühlzyklus) auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges, stabiles Bearbeitungswerkzeug zum thermischen Bearbeiten von Bauteilen bereitzustellen, mittels dessen kurze Taktzeiten bei niedrigem Energieverbrauch ermöglicht sind.
Gemäß der Erfindung wird ein Bearbeitungswerkzeug zum thermischen Bearbeiten von Bauteilen - z. B. zum thermischen Urformen, Umformen oder Fügen (z. B. Verkleben zweier Bauteile mittels Wärmeeintrags) - bereitgestellt. Das Bearbeitungswerkzeug kann somit z. B. als Formwerkzeug, insbesondere als Presswerkzeug, oder als Fügewerkzeug fungieren. Das Bearbeitungswerkzeug weist eine frontseitige Decklage mit einem elektrischen Widerstandsheizelement zum Beheizen der Decklage auf. Die Decklage kann z. B. eine Decklage aus faserverstärktem Kunststoffmaterial sein, wobei ein elektrisches Widerstandsheizelement in das Kunststoffmaterial bzw. in die Decklage eingebettet ist. Die Decklage kann jedoch auch eine metallische Deckplatte (z. B. aus einem dünnen Blech) aufweisen oder sein, die mit einem Widerstandsheizelement versehen ist. Die Decklage weist eine zum Kontaktieren eines zu bearbeitenden Bauteils vorgesehene Vorderseite und eine von derselben abgewandte Rückseite auf. Die Decklage kann z. B. in Form einer ebenen Platte ausgeführt sein, kann jedoch auch eine andere Form aufweisen und wird in der Regel eine dreidimensionale Gestalt aufweisen.
An der Rückseite der Decklage ist eine Tragstruktur aus faserverstärktem Kunststoffmaterial angeordnet, wobei die Tragstruktur alternierend bzw. abwechselnd mit von der Rückseite weggewölbten Ausbuchtungen und zu der Rückseite hingewölbten Einbuchtungen profiliert und derart angeordnet ist, dass mittels der Ausbuchtungen als Kühlkanäle fungierende Kanäle gebildet sind, die entlang der Rückseite der Decklage verlaufen. Die Tragstruktur ist sozusagen wellblechartig geformt (d. h., die Tragstruktur hat die Form einer gekanteten oder gewellten Platte), wobei der Quer- schnitt und die Anordnung der gebildeten Kühlkanäle von der Wellenform der Tragstruktur definiert sind. Die Tragstruktur ist (entlang der Einbuchtungen) kontaktierend an der Decklagen-Rückseite angeordnet, z. B. mit derselben verklebt. Das Bearbeitungswerkzeug kann zudem eine Stützstruktur aufweisen. Die Stützstruktur wird von einem die Einbuchtungen der Tragstruktur ausfüllenden bzw. hinterfüllenden Stützmaterial gebildet. Das Stützmaterial ist bevorzugt ein thermisch isolierendes Material. Das Stützmaterial kann z. B. ein (ausgehärtetes) Epoxidharz bzw. ein mittels eines Epoxidharzes gebildeter Kunststoff sein, dem zur Erhöhung seiner thermischen Isolierwirkung z. B. ein Füllmaterial aus einem thermisch isolierenden Material hinzugefügt sein kann. Das Füllmaterial kann ein stückiges bzw. granulatartiges Material sein, z. B. können Glaskugeln als Füllmaterial vorgesehen sein.
Die mechanische Stabilität und die Formsteifigkeit des Bearbeitungswerkzeugs wer- den hauptsächlich durch die Tragstruktur bestimmt, welche zudem zum Übertragen von auftretenden Druck- und Schubkräften sowie zur räumlichen Trennung der warmen und der kalten Werkzeugseite voneinander dient. Mittels der die Tragstruktur hinterfüllenden bzw. stützenden Stützstruktur kann die Stabilität des Bearbeitungswerkzeugs zusätzlich gesteigert sein, wobei die Stützstruktur zudem als thermische Isolierung fungiert.
Während eines Bearbeitungsvorgangs mit einem Heizschritt und einem Kühlschritt unter Verwendung des Bearbeitungswerkzeugs kann vorgesehen sein, dass während des Kühlschrittes die Kühlkanäle von einem Kühlfluid durchströmt werden, und während des Heizschrittes die Kühlkanäle nicht von einem Kühlfluid durchströmt werden (sondern evakuiert sind oder mit einem stillstehenden, nichtströmenden - und z. B. thermisch isolierenden - Fluid befüllt sind). Das Kühlfluid kann ein gasförmiges Medium (z. B. Druckluft) oder ein flüssiges Medium (z. B. Wasser) sein. Indem die Kühlkanäle während des Kühlens von einem Kühlfluid durchströmt sind, kann mittels des Fluidstroms ein effektiver Abtransport der Wärme von dem Bauteil mittels des mit dem Fluidstrom einhergehenden Wärmestroms erfolgen. Indem die Kühlkanäle zwischen einem von der Decklagen-Rückseite weggewölbten Abschnitt der Tragstruktur und der Decklagen-Rückseite gebildet sind und das Kühlfluid somit im direkten Kontakt mit der Decklage steht, ist zudem auch bei einer schlecht wärme- leitfähigen Decklage ein effektiver Wärmeabtransport ermöglicht. Indem während des Heizschritts der Kühlfluid-Strom unterbrochen ist und die Kühlkanäle somit während des Beheizens des thermisch zu bearbeitenden Bauteils nicht von einem Kühlfluid durchströmt werden, können die Kanal-Hohlräume während des Heizens als thermische Isolierung wirken, sodass die zugeführte Heizenergie im Wesentlichen zum Temperieren der zu bearbeitenden Bauteile zur Verfügung steht und nur ein geringer Energieanteil zum Aufheizen des Bearbeitungswerkzeugs verloren geht.
Zudem kann die Stützstruktur aus thermisch isolierendem Material zusätzlich isolierend wirken und somit einen zwischen der Rückseite bzw. unbeheizbaren Seite des Bearbeitungswerkzeuges und der beheizbaren Decklage verlaufenden Wärmestrom minimieren, wodurch sowohl während des Aufheizens als auch während des Abküh- lens der erforderliche Energieaufwand noch weiter reduziert ist und eine homogene Temperaturverteilung über die Decklage hinweg ermöglicht ist.
Somit ermöglicht das Bearbeitungswerkzeug ein schnelles Aufheizen und Abkühlen der Decklage (und folglich entsprechend geringe Taktzeiten) mit einer homogenen Temperaturverteilung bei geringem Energieaufwand.
Indem das Bearbeitungswerkzeug zumindest teilweise aus faserverstärktem Kunststoffmaterial besteht, kann das Bearbeitungswerkzeug kostengünstig und mit einem geringen Gewicht bereitgestellt werden, wobei mittels der Tragstruktur in Verbindung mit der Stützstruktur dennoch eine hohe Stabilität gewährleistet ist.
Die Decklage kann aus faserverstärktem Kunststoffmaterial bestehen, z. B. aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und/oder aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Decklage eine metallische Deckplatte aufweist.
Das elektrische Widerstandsheizelement kann z. B. einen oder mehrere metallische Widerstandsheizabschnitte, z. B. Widerstandsheizdrähte, aufweisen oder aus den- selben bestehen. Das elektrische Widerstandsheizelement kann jedoch auch einen oder mehrere aus Kohlenstofffasern bestehende Widerstandsheizabschnitte, z. B. einen oder mehrere Widerstandsheizstränge aus Kohlenstofffasern, aufweisen oder aus denselben bestehen. Ein solcher Heizstrang kann z. B. aus einem Kohlenstofffa- ser-Roving bestehen, wobei das Roving z. B. aus unidirektionalen Kohlenstofffasern bestehen kann. Das Widerstandsheizelement kann insbesondere einen oder mehrere, unter Ausbildung einer Flächenheizung mäanderförmig entlang der Decklage verlaufende, strangförmigen Widerstandsheizabschnitte (z. B. metallische Widerstandsheizdrähte oder aus Kohlenstofffasern bestehende Widerstandsheizstränge) aufwei- sen oder aus denselben bestehen. Das Widerstandsheizelement (bzw. dessen Abschnitte) ist, bis auf zum Anschließen des Widerstandsheizelements an eine elektrische Spannungsquelle vorgesehene Anschlussabschnitte desselben, durch umliegende elektrisch isolierende Bereiche elektrisch isoliert. Bei Ausbildung der Decklage aus faserverstärktem Kunststoff kann das Widerstandsheizelement z. B. durch um- liegende elektrisch isolierende Bereiche der Faserverbundstruktur elektrisch isoliert sein. Solche elektrisch isolierenden Bereiche können z. B. durch glasfaserverstärktes Kunststoffmaterial gebildet sein.
Die Tragstruktur besteht ebenfalls aus faserverstärktem Kunststoffmaterial, z. B. aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und/oder aus glasfaserverstärktem Kunststoff.
Die Form und die Abmessungen der Kühlkanäle sind durch das Wellenprofil der Tragstruktur definiert. Demgemäß können die Form und die Abmessungen der Kühlkanäle durch entsprechende Gestaltung des Wellenprofils der Tragstruktur an ein je- weiliges Anforderungsprofil angepasst sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Tragstruktur derart ausgebildet, dass die Kühlkanäle einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen; wobei die längere der beiden zueinander parallelen Grundseiten des Trapezes durch den von der Decklagen- Rückseite gebildeten Begrenzungsabschnitt des jeweiligen Kühlkanals gegeben ist und der Kanal somit einen sich in Richtung zu der Decklage hin aufweitenden Querschnitt aufweist. Die Kühlkanäle können z. B. derart ausgebildet sein, dass ihr Querschnitt die Form eines gleichschenkligen, symmetrischen Trapezes aufweist, wobei die längere der beiden parallelen Grundseiten des Trapezes von der Decklage gebildet ist.
Indem die Kühlkanäle mit einem trapezförmigen, sich in Richtung zu der Decklage aufweitenden Querschnitt ausgebildet sind, ist eine große Kontaktfläche zwischen dem Innenraum der Kühlkanäle und der Decklage ermöglicht, wodurch während des Heizens eine effektive thermische Isolierung der Decklage und während des Kühlens eine effektive Wärmeabfuhr von der Decklage ermöglicht ist. Zudem ist mittels der resultierenden, trapezförmig zu der Decklage hingewölbten Einbuchtungen eine hohe Stabilität der Tragstruktur und der Stützstruktur - und somit auch des Bearbeitungswerkzeuges - gegen eine auf die Vorderseite der Decklage wirkende Druckbelastung ermöglicht, was insbesondere bei Verwendung des Bearbeitungswerkzeugs als Presswerkzeug vorteilhaft ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Tragstruktur derart ausgebildet, dass die Kühlkanäle einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Dies kann z. B. bei Anwendungen vorgesehen sein, bei denen eine geringere Stabilität des Bearbeitungswerkzeuges genügt. Zudem ermöglicht ein rechteckiger Kanalquerschnitt gegenüber einem trapezförmigen Kanalquerschnitt bei gleicher Kontaktfläche zwischen dem Innenraum eines Kühlkanals und der Decklage einen größeren Strömungsquerschnitt und somit auch einen größeren Volumenstrom des Kühlfluids. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Strömungsquerschnitt der Kühlkanäle eine andere Form als eine Trapezform oder Rechteckform aufweist.
Die Tragstruktur und die Kühlkanäle sind bevorzugt derart ausgebildet, dass die Kontaktfläche, an der die Tragstruktur die Decklagen-Rückseite kontaktiert, nicht größer als 30%, insbesondere nicht größer als 15%, der Gesamtfläche der Decklagen- Rückseite ist. Indem die Kontaktfläche zwischen der Tragstruktur und der beheizten Decklage gering gehalten ist, kann während des Heizens ein Wärmestrom von der beheizten Decklage über die Kontaktfläche zu der unbeheizten Rückseite des Bearbeitungswerkzeugs unterdrückt bzw. klein gehalten werden, wohingegen während des Kühlens ein Wärmeeintrag von der unbeheizten Rückseite des Bearbeitungs- Werkzeugs über die Kontaktfläche zu der beheizten Decklage unterdrückt bzw. klein gehalten werden kann, wodurch sowohl während des Heizens als auch während des Kühlens eine hohe Homogenität der Temperaturverteilung über die Decklage hinweg zusätzlich unterstützt ist.
Das Bearbeitungswerkzeug kann ferner eine unbeheizte Basislage bzw. rückwärtige Decklage aufweisen, die kontaktierend an der Stützstruktur angeordnet ist, z. B. auf die Stützstruktur auflaminiert ist. Die Basislage weist aus Symmetriegründen bevorzugt dieselbe Geometrie auf wie die Decklage und besteht z. B. aus faserverstärktem Kunststoffmaterial, z. B. aus demselben faserverstärkten Kunststoffmaterial wie die beheizbare frontseitige Decklage.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Bearbeitungswerkzeug eine Kühlvorrichtung auf, die derart ausgebildet ist, dass von ihr ein Kühlfluid (z. B. Druckluft, Öl oder Wasser) durch die Kühlkanäle hindurchgeleitet werden kann.
Es kann z. B. vorgesehen sein, die zu bearbeitenden Bauteile zunächst einem Heizschritt zu unterziehen, wobei während des Heizschrittes mittels Betreibens des Widerstandsheizelements der Decklage ein Beheizen des zu bearbeitenden Bauteils erfolgt. Der Heizschritt kann z. B. einen Temperaturerhöhungs-Abschnitt, während dessen ein Temperaturanstieg auf eine vorgegebene Heiztemperatur erfolgt, und einen Konstanttemperatur-Abschnitt, während dessen die Temperatur konstant auf der vorgegebenen Heiztemperatur gehalten wird, aufweisen. Die Kühlvorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass von ihr während des Heizschritts kein Kühlfluid durch die Kühlkanäle hindurchgeleitet wird, d. h.. die Kühlkanäle während des Heizschritts nicht von dem Kühlfluid durchströmt werden. Während des Heizschritts wird z. B. der Kühlfluidstrom unterbrochen und/oder das Kühlfluid aus den Kanälen abgelassen. Es kann zudem vorgesehen sein, die zu bearbeitenden Bauteile nach dem Heizschritt einem Abkühlschritt zu unterziehen; wobei die Kühlvorrichtung derart ausgebildet sein kann, dass von ihr während des Kühlschritts das Kühlfluid durch die Kühlkanäle hindurchgeleitet wird, sodass die Kühlkanäle von dem Kühlfluid durchströmt werden.
Das Bearbeitungswerkzeug gemäß den oben beschriebenen Ausführungen kann z. B. ein Formwerkzeug, insbesondere ein Presswerkzeug, sein. Das Formwerkzeug kann insbesondere zum Urformen oder Umformen von Bauteilen aus thermisch beeinflussbaren Werkstoffen, z. B. Kunststoffen oder Faserverbundstoffen, vorgesehen sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierzu zeigen schematisch: Figur 1 eine Schnittdarstellung eines Bearbeitungswerkzeugs gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2 eine Darstellung der Anordnung eines Widerstandsheizelements; und Figur 3 eine Schnittdarstellung eines Bearbeitungswerkzeuges gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Figur 1 zeigt ein Bearbeitungswerkzeug 1 gemäß einer Ausführungsform in einer Schnittdarstellung. Das Bearbeitungswerkzeug 1 ist ein Formwerkzeug 1 , hier als Beispiel ein Presswerkzeug 1 . Das Presswerkzeug 1 weist eine frontseitige Decklage 3 aus faserverstärktem Kunststoffmaterial auf, wobei ein elektrisches Widerstands- heizelement 5 in die Decklage 3 eingebettet ist und die Decklage 3 somit beheizbar ist.
Die Decklage 3 weist eine Vorderseite 7 und eine Rückseite 9 auf, wobei die Vorderseite 7 zum Kontaktieren des zu formenden Bauteils (nicht dargestellt) vorgesehen ist und somit die formgebende Fläche des Formwerkzeugs 1 bildet. Der Einfachheit halber ist die Decklage 3 als ebene Platte dargestellt, die Decklage kann jedoch mit einer beliebigen dreidimensionalen Gestalt ausgeführt sein. Das elektrische Widerstandsheizelement 5 besteht aus einem Roving bzw. Bündel aus Kohlenstofffasern, wobei das Bündel mäanderförmig entlang der formgebenden Vorderseite 7 der Deck- läge 3 verlaufend angeordnet ist (siehe Figur 2).
Die Decklage 3 besteht aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, wobei das Widerstandsheizelement 5 mittels dasselbe umgebender Bereiche aus glasfaserver- stärktem Kunststoff (nicht dargestellt) von dem umliegenden kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff elektrisch isoliert ist.
Das Formwerkzeug 1 weist ferner eine kontaktierend an der Rückseite 9 der Deckla- ge 3 angeordnete Tragstruktur 11 auf. Die Tragstruktur 11 besteht aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und weist eine wellblechartige Gestalt mit trapezförmigen Wellenbergen und Wellentälern auf, wobei die Tragstruktur 11 alternierend mit von der Decklagen-Rückseite 9 weggewölbten Wellentälern bzw. Ausbuchtungen 13 und zu der Decklagen-Rückseite 9 hingewölbten Wellenbergen bzw. Einbuchtungen 15 profiliert ist. Somit sind mittels der Ausbuchtungen 13 Kühlkanäle 17 gebildet. Die Kanäle 17 sind von den Ausbuchtungen 15 der Tragstruktur 3 und der Deckseiten- Rücklage 9 begrenzt und verlaufen mit ihrer Längsrichtung entlang der Decklagen- Rückseite 9, d. h. gemäß Figur 1 entlang der y-Richtung des dargestellten xyz- Koordinatensaystems.
Das Formwerkzeug 1 weist ferner eine Stützstruktur 19 auf. Die Stützstruktur 19 ist von einem die Einbuchtungen 15 der Tragstruktur 3 hinterfüllenden (ausgehärteten) Epoxidharz gebildet, das mit Glaskügelchen als thermisch isolierendem Füllmaterial versetzt ist. Zudem weist das Formwerkzeug 1 eine rückwärtige Basislage 21 auf, die auf die Stützstruktur 19 auflaminiert ist. Die rückwärtige Basislage 21 besteht aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und entspricht in ihren Abmessungen denjenigen der frontseitigen Decklage 3. Bei der Ausführung gemäß Figur 1 ist die Basislage 21 zudem von der Tragstruktur 11 , insbesondere von den Ausbuchtungen 13 der Tragstruktur 11 , kontaktiert und mit derselben verklebt.
Jeder der Kühlkanäle 17 weist einen Strömungsquerschnitt in Form eines gleichschenkligen, symmetrischen Trapezes auf, wobei die längere der beiden parallelen Grundseiten des Trapezes an der Decklage 3 und die kürzere der beiden parallelen Grundseiten des Trapezes an der Basislage 21 angeordnet ist. Das Verhältnis der Kontaktfläche, an der die Tragstruktur 11 die Decklagen-Rückseite 9 kontaktiert, beträgt ca. 15 % der gesamten Fläche der Decklagen-Rückseite 9.
Figur 2 veranschaulicht einen parallel zur xy-Ebene, d. h. parallel zur Decklagen- Vorderseite 7, verlaufenden Schnitt durch die Decklage 3. Wie aus Figur 2 ersichtlich, ist das als Widerstandsheizelement 5 fungierende Kohlenstofffaserbündel 5 mä- anderförmig derart entlang der Decklage verlaufend angeordnet, dass von ihm ein flächiges Temperieren der Decklage 3 ermöglicht ist. Das Widerstandsheizelement 5 weist zwei aus der Decklage 3 ragende Kontaktanschlüsse 23 auf, wobei das Widerstandsheizelement 5 durch Beaufschlagen der beiden Kontaktanschlüsse 23 mit einer elektrischen Spannung aktivierbar ist.
Das Formwerkzeug 1 gemäß den Figuren 1 und 2 weist zudem eine Kühlvorrichtung (nicht dargestellt) auf, die zum Hindurchleiten von als Kühlfluid dienender Druckluft durch die Kühlkanäle 17 ausgebildet ist.
Zum Formen eines zu bearbeitenden Bauteils wird zunächst mittels des Formwerkzeugs 1 ein Heizschritt durchgeführt, indem eine elektrische Spannung zwischen den beiden Kontaktanschlüssen 23 des Widerstandsheizelements 5 angelegt wird und die Decklage 3 somit beheizt wird. Nach dem Formen des Bauteils wird mittels des Formwerkzeugs 1 ein Kühlschritt durchgeführt, indem mittels der Kühlvorrichtung das Kühlfluid durch die Kühlkanäle 17 hindurchgeleitet wird (d. h. an einem Längsende in die Kühlkanäle 17 eintritt, diese entlang der y-Richtung durchströmt und am anderen Längsende der Kühlkanäle aus denselben austritt). Während des Heizschritts wird kein Kühlfluid durch die Kühlkanäle hindurchgeleitet.
Somit sind die Kühlkanäle 17 während des Heizschritts mit stillstehender, nichtströ- mender Luft befüllt, welche als thermische Isolierung wirkt. Während des Kühlschritts sind die Kühlkanäle 17 hingegen mit Druckluft beaufschlagt und von derselben durchströmt, wobei durch den mit der Fluidströmung einhergehenden Wärmestrom Wärme von der Decklage 3 und somit auch von dem geformten Bauteil weggeführt wird und diese somit gekühlt werden. Figur 3 veranschaulicht ein Bearbeitungswerkzeug 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Ausführung gemäß Figur 3 unterscheidet sich von derjenigen gemäß den Figuren 1 und 2 lediglich dadurch, dass sie durch eine entsprechende Gestaltung der Tragstruktur 11 mit Kühlkanälen 17 mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet ist.
Zum Formen eines Bauteils mittels eines Presswerkzeugs gemäß den Figuren 1 bis 3 wird zunächst die Decklagen-Vorderseite eingetrennt (d. h. mit einem Trennmittel benetzt). Danach wird das zu formende Bauteil mit der Decklagen-Vorderseite in Kontakt gebracht, z. B. auf die Decklagen-Vorderseite aufgelegt. Nunmehr wird das Presswerkzeug mit dem vorgegebenen Prozessdruck beaufschlagt und die Heizung eingeschaltet (d. h. das in die Decklage eingebettete Heizelement mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt). Das Bauteil wird in der durch die Decklagen- Vorderseite definierten Form ausgehärtet, danach wird die Heizung ausgeschaltet und die Kühlkanäle werden von einem Kühlfluid durchströmt. Schließlich wird das bearbeitete Bauteil entformt.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
I Bearbeitungswerkzeug / Formwerkzeug / Presswerkzeug 3 frontseitige Decklage
5 elektrisches Widerstandsheizelement
7 Decklagen-Vorderseite
9 Decklagen-Rückseite
I I Trag struktur
13 Ausbuchtungen
15 Einbuchtungen
17 Kühlkanal
19 Stützstruktur
21 rückwärtige Basislage
23 Kontaktanschluss

Claims

Patentansprüche
1 . Bearbeitungswerkzeug (1 ) zum thermischen Bearbeiten von Bauteilen, aufweisend eine Decklage (3) mit einer Vorderseite (7) zum Kontaktieren des zu for- menden Bauteils und einer der Vorderseite (7) gegenüber liegenden Rückseite (9), dadurch gekennzeichnet, dass
die Decklage (3) ein elektrisches Widerstandsheizelement zum Beheizen der Decklage (3) aufweist, und
an der Rückseite (9) der Decklage (3) eine in Form einer gekanteten oder ge- wellten Platte mit von der Rückseite (9) weggewölbten Ausbuchtungen (13) und zu der Rückseite (9) hingewölbten und diese kontaktierenden Einbuchtungen (15) profilierte Tragstruktur (11 ) aus faserverstärktem Kunststoffmaterial angeordnet ist, wobei durch die Ausbuchtungen (13) der Tragstruktur (11 ) und die Decklage (3) entlang der Rückseite (9) verlaufende Kühlkanäle (17) gebildet sind.
2. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Decklage (3) aus faserverstärktem Kunststoffmaterial besteht, wobei das Widerstandsheizelement (5) in die Decklage eingebettet ist.
3. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Decklage eine metallische Deckplatte aufweist.
4. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Widerstandsheizelement (5) mindestens einen Koh- lenstofffaserstrang (5) aufweist.
5. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (11 ) derart profiliert ist, dass die Kühlkanäle (17) einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
6. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (11 ) derart profiliert ist, dass die Kühlkanäle (17) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
7. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug ferner eine Stützstruktur (19) aufweist, die von einem die Einbuchtungen (15) der Tragstruktur (11 ) ausfüllenden Material gebil- det ist.
8. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (19) aus einem Epoxidharz mit einem thermisch isolierenden Füllmaterial besteht.
9. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug ferner eine Kühlvorrichtung aufweist, die zum Durchleiten eines Kühlfluids durch die Kühlkanäle (17) ausgebildet ist.
10. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug (1 ) ein Formwerkzeug (1 ) ist.
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