WO2000064608A1 - Automatisiertes verfahren und vorrichtung zum spanlosen umformen eines körpers - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to an automated method for the chipless shaping of a thin-walled side wall of a body and a device for carrying out the method.
  • a method for non-cutting shaping of a thin-walled side wall of a body is known from JP 08001760 A.
  • the body to be formed is a hollow body, which is closed except for an opening arranged at the end.
  • the hollow body is fastened with its end receiving the opening in a fastening device.
  • the entire hollow body is heated until it is highly malleable.
  • a fluid is blown into the hollow body through the opening.
  • the end of the hollow body facing away from the opening is moved by means of a pull rod and a push rod until the hollow body has the desired final shape.
  • the distribution of the energy can only be roughly controlled, which is not sufficient for producing fine and exact contours. It is not possible to produce a wall thickness of the body produced that is defined as a function of location.
  • Another method for non-cutting shaping of a thin-walled side wall of a body is known as blow molding without a counterform.
  • the body to be deformed is clamped in a clamping frame and heated evenly.
  • An excess pressure is generated within the stenter so that the entire thin-walled body is curved outwards.
  • the resulting contour for example a dome, always has the same shape.
  • the distribution of the energy can only be roughly controlled, which is not sufficient for producing fine and exact contours. It is not possible to produce a wall thickness of the body that is defined as a function of the location.
  • Another method for chipless forming of a thin-walled side wall of a body is known as glass blowing.
  • the hollow body made of glass is heated with a flame in large areas of its surface until the desired formability is achieved.
  • the glassblower then applies air pressure to the hollow body from the inside by blowing into the hollow body.
  • the achievable accuracy of the forming depends very much on the skill of the glassblower. Deviations from the target geometry of the body are not measured exactly, but only roughly estimated. In particular, the production of precise 3D free-form surfaces creates enormous difficulties. The measurable verification of the result is not possible. As a result, no exact corrections can be made.
  • Another disadvantage of manual work is that the precise production of a locally defined wall thickness of the body produced is not possible. The material thickness of the blown hollow body can not be controlled depending on the surface coordinate, but must be accepted as it results from the forming process.
  • blowing processes for the chipless shaping of a thin-walled side wall of a body are known.
  • the blow molding machine used for this must be specially set up to generate a certain geometry of the body.
  • the processes are only suitable for glass and thermoplastics. It is not possible to produce a wall thickness of the body produced that is defined as a function of the location.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus for non-cutting forming a thin-walled side wall of a body, with which a flexible, economical, automated production of bodies in small series is possible.
  • the desired geometry of the thin-walled side wall of the body is first specified in an electronic data model.
  • the actual geometry of the thin-walled side wall of the body to be reshaped is also detected automatically and stored in an electronic data module.
  • the target-actual deviation is calculated from the comparison of the detected actual geometry with the predetermined target geometry of the thin-walled side wall of the body, and local deformation areas in which the target-actual deviation exceeds a predetermined limit value are determined.
  • a location-dependent energy profile is calculated in the local forming areas using numerical methods.
  • One side of the thin-walled side wall of the body is subjected to a defined pressure.
  • the formability of the thin-walled side wall of the body is increased in a defined, automated manner in the local forming areas by a defined supply of energy in the local forming areas according to the calculated location-dependent energy profile, the thin-walled side wall of the body is reshaped in the local reshaping areas due to its defined increased reshapeability and the one-sided application of pressure.
  • the starting point of the automated process is the existence of an electronic data model of the body.
  • it can be CAD or image data of the finished end product.
  • the desired target geometry of the body is achieved by step-by-step reshaping of the starting body, in that the deformability of the thin-walled side wall of the body is increased in a defined manner in one or more local reshaping regions.
  • a local forming area in which the formability has been increased is a small sub-area in which the calculated, location-dependent temperature profile has been introduced.
  • Several local forming areas can also jointly form a global forming area which has an inhomogeneous temperature profile.
  • the local forming areas themselves can also have an inhomogeneous temperature profile.
  • the thin-walled side wall can be an outer wall or an inner wall of the body. Due to the pressure difference between the side of the side wall of the body which is acted upon by the pressure medium and the other side of the body of the body which is acted upon by ambient pressure, the thin-walled side wall of the body is reshaped with a sufficiently large formability or elastic-plastic deformability. Local forming areas are calculated in which the target-actual deviation exceeds a predetermined limit. The energy profile to be applied and the required pressure difference are calculated within these forming areas. These state parameters can be determined by solving the corresponding continuum mechanical differential equations using numerical methods. Other calculation methods, such as fuzzy logic, neural networks and the like. Like., Are also applicable and well known to those skilled in the art.
  • the new process can be one-step in the sense that everyone Area of the side wall of the body is reshaped only once.
  • a multi-stage, ie iterative, method is preferred, in which at least the automated detection of the actual geometry of the thin-walled side wall of the body is repeated after the first shaping step becomes. If a subsequent calculation of a still existing target / actual deviation from the comparison of the actual geometry now recorded with the predetermined target geometry of the thin-walled side wall of the body proves compliance with the predetermined limit value, the method can be ended. However, if the limit value is at least occasionally exceeded, the local forming areas in which the target / actual deviation exceeds a predetermined limit value must be determined again and subjected to a further forming step.
  • the cheeks already have the desired geometry, but the eyes, mouth, nose and chin still have to be reshaped. Then the face forms the global reshaping area, and the areas mentioned eyes, mouth, nose, chin are the local reshaping areas. In order to shape the nose, you also need an inhomogeneous temperature profile. If the actual geometry does not yet correspond to the target geometry, the face of the doll's head as a whole still has to be machined, with an inhomogeneous temperature profile.
  • the body can be reshaped without using a mold. This is particularly useful for small series or individual products.
  • the absence of a mold has the great advantage that set-up times are minimized and there are no additional costs for mold construction.
  • the side of the thin-walled side wall of the body can be pressurized with compressed air of defined pressure or with a hydraulic medium, preferably hydraulic oil.
  • the hydraulic pressurization has the advantage that the body can be heated to a basic temperature by the hydraulic medium and the forming area of the body cools down more quickly.
  • the pressure applied to the thin-walled side wall of the body can be constant. This has the advantage that only the selection of the forming area and the duration of action or intensity of the energy supply remain as parameters, while the pressure remains unchanged. For example, it is advisable to use the same pressure for the same materials. It is also possible to use different pressures for different materials of the body depending on the formability of the respective material. A higher pressure is suitable for processing metals than is the case with plastics. It is also feasible to vary the pressure as a further parameter during the forming process.
  • the actual geometry of the thin-walled side wall of the body can be recorded continuously and the energy supply can be regulated as a function thereof.
  • An energy profile to be applied is determined in intervals, which increases the deformability of the thin-walled side wall of the body in the local deformation region in a defined manner. This makes it possible to achieve high accuracy in the shaping of the thin-walled side wall of the body. In this way, a smaller amount of energy than initially calculated can be applied in the local forming area to be machined, and the resulting deformation can be recorded and measured.
  • the required increase in the formability of the body is determined. This process is repeated until the target-actual deviation no longer exceeds the predetermined limit.
  • the location-dependent energy profile can be recalculated for each forming step in the local forming areas and applied accordingly to the body. This results in a particularly precise achievement of the desired reshaping of the body.
  • the wall thickness of the side wall of the body can be varied by carefully selecting the local deformation area. Among other things, this means that the wall thickness of the body is not necessarily constant over the entire surface of the body. In this way, one and the same outer geometry of the body can be achieved by using different local deformation areas, the wall thickness of the side wall of one body then being designed differently than the wall thickness of the other body. Varying the wall thickness of the side wall of the body is particularly useful if an increased wall thickness is required in certain areas for structural reinforcement of the body or of the component. However, the entire body does not have to have this wall thickness for this. This results in an advantageous reduction in the mass or weight of the body.
  • the energy can be supplied according to the calculated location-dependent energy profile defined by a laser beam.
  • a laser beam can be controlled particularly well, so that the surface of the thin-walled side wall of the body is scanned into the desired forming area.
  • the laser beam has the desired accuracy and a precise possibility of dosing the intensity of the energy supply. Due to the very local energy input, very narrow energy profiles and thus very fine contours can be generated with the laser beam. In principle, however, it is also possible to use another energy source for the energy supply. For example, a radiant heater can be used.
  • the formability of the thin-walled side wall of the body can be varied by varying the duration of action, intensity, pulse width or focus size of the laser beam. Ultimately, it is important that the deformability is influenced in a defined manner, so that the most accurate and predictable deformation results in the deformation region of the body.
  • the local deformation areas can be cooled after the desired deformation of the thin-walled side wall of the body has been reached.
  • the processing time required for shaping the body is reduced.
  • the new process can also be called the FDS process (Flexible Direct Shaping).
  • FDS process Flexible Direct Shaping
  • the process offers a multitude of advantages: all bodies can be manufactured with great dimensional accuracy, defined wall thickness and high quality. These quantities can be measured and controlled with high accuracy.
  • the manufacturing process is greatly accelerated because functional products are immediately available. Every body can be produced immediately and without major preparations if an electronic data model is available.
  • An enormous cost saving is achieved, especially in the production of individual products, one-off productions as well as in small and medium series, since no complex molds have to be made.
  • An enormous saving of time is achieved because the more complicated the body to be manufactured, for example a prosthesis, the faster the process compared to known manufacturing processes. The manufacturing times are almost independent of the size of your body.
  • the processing time of a body or workpiece mainly depends on how similar the initial shape of the blank is to the body to be produced.
  • the FDS process is basically suitable for all formable materials. Bodies composed of different, formable materials can also be processed. Any initial shapes can be processed, whereby prefabricated mold surfaces and other workpieces (ribs, etc.) can remain unchanged. Only those areas in which the target geometry and the actual geometry do not yet match need to be reshaped.
  • the integration of other standard components is also possible. Particularly complicated, angled molded parts, e.g. B. undercuts can be made from one piece. In most cases, the following processing steps (joining of half-shells, etc.) are not necessary. Already manufactured bodies can be changed quickly.
  • An existing and already used body can be reshaped just like any blank. Old bodies can be reused, standard blanks can be quickly adapted and changed to individual requirements. Due to the fact that the method works without contact, there is no wear on tools. The use of lubricants or the like is not necessary.
  • the advantages of the FDS process are mainly in the area of small and medium series production as well as the production of individual products. The process does not make the production of individual products much more complex than that of comparable standard products. Instead of using different molding tools, the existence of a data model is sufficient to produce a product directly using the FDS process. The mere production time for an individual product, depending on the extent of the forming work to be carried out, takes only a few seconds to a few minutes. This reduces manufacturing costs and comparable to those of known methods.
  • the device for non-cutting reshaping of a thin-walled side wall of a body has a geometry detection unit for automated detection of the actual geometry of the thin-walled side wall of the body.
  • An electronic computer for specifying the target geometry of the thin-walled side wall of the body in an electronic data model, for calculating the target-actual deviation from the comparison of the detected actual geometry with the specified target geometry of the thin-walled side wall of the body, for determining There are local deformation areas in which the target / actual deviation exceeds a predetermined limit value and in order to calculate a location-dependent energy profile in the local deformation areas.
  • a controllable pressure device is used to apply a defined pressure to one side of the thin-walled side wall of the body.
  • a device serves for the defined automated increase in the formability of the thin-walled side wall of the body in the local forming areas by means of a defined energy supply in the local forming areas depending on the calculated target / actual deviation, the thin-walled side wall of the body in the local forming areas due to its defines increased formability and the one-sided exposure to pressure.
  • the geometry detection unit for the automatic detection of the actual geometry of the thin-walled side wall of the body in an electronic data model serves to determine the existing geometry of the body or workpiece in order to determine the process steps to be carried out. The accuracy of the contour data, the speed of data acquisition and the completeness of the acquired data are particularly important.
  • the pressure device can be a compressed air device. However, a pressure device working with a hydraulic medium can also be used.
  • the actual geometry of the thin-walled side wall of the body can be determined using a 3D object measurement system.
  • the SD object measurement system includes a digital camera and corresponding control devices and the associated software. As an alternative to object measurement with a digital camera, it is also possible to use ultrasound, radar, lidar and other distance sensors.
  • a cooling device can be provided for cooling the local shaping regions after the desired shaping of the thin-walled side wall of the body has been achieved. Due to the faster cooling of the body in the previously heated forming area, the processing time required for the forming of the body can be reduced further.
  • the body and / or the device can be moved to increase the deformability in a defined, automated manner. It must be ensured that every point to be manipulated on the thin-walled side wall of the body is accessible for the supply of energy.
  • the device for the defined increase in formability can be a laser.
  • the laser beam of the laser is then controlled in such a way that the location-dependent energy profile is introduced into the local deformation area of the body to be formed, for example by scanning with the laser beam or by means of a controllable micromirror system.
  • a localized hot air jet can also be used.
  • the entire forming process can be simulated by a computer-aided simulation. Based on the simulation, the parameters to be set, e.g.
  • Te - temperature, intensity of the energy source and pressure of the compressed air can be used, which allow the expansion of the body to be calculated with sufficient accuracy.
  • Other methods such as. B. fuzzy logic, neural networks, etc. can be used. All required material parameters, such as B. modulus of elasticity, temperature, etc., can be varied over the surface of the body.
  • the existing temperature profile of the material in the deformation area of the body can be detected and the required energy profile to be applied can be determined as a function thereof.
  • Robots and movement units are suitable for controlling the relative movement between workpiece and tool. If the body is a relatively flat molded body with only moderate accuracy that can be achieved, it may be sufficient to use a biaxial device for moving the energy supply.
  • the FDS system also has two axes for positioning the energy supply and an additional axis of rotation for rotating the body. For example, when using a laser for the energy supply, the laser beam can be directed to the desired location on the surface of the body to be processed by means of a rapidly rotating mirror. Ultimately, it is important that the calculated energy profile is applied with the required accuracy.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an automated device for shaping a body before the beginning of the shaping process.
  • FIG. 2 shows the device according to FIG. 1 after shaping of a shaping area of the body.
  • FIG. 3 shows the device according to FIG. 1 when using a partial mold.
  • FIG. 4 shows the device according to FIG. 1 with a preformed molded part on an egg-shaped body.
  • FIG. 5 shows the device according to FIG. 4 with the formed one
  • Fig. 6 shows a second embodiment of the device with a plate-shaped body before it is formed.
  • FIG. 7 shows the device according to FIG. 6 with the deformed plate-shaped body.
  • FIG. 8 shows the deformation of a thin-walled side wall of the body with a defined wall thickness.
  • FIG. 9 shows a third embodiment of the device with a body with a double chamber before it is deformed.
  • FIG. 10 shows the device according to FIG. 9 with the deformed body.
  • 1 shows a first embodiment of a device 1 for the automated chipless shaping of a thin-walled side wall 2 of a body 3.
  • the body 3 is made of plastic. However, the body 3 could also be made of metal, glass, a composite material or an other formable material.
  • the device 1 has a geometry detection unit 4 for the automated detection of the it geometry of the thin-walled side wall 2 of the body 3 in an electronic data model.
  • An electronic computer 5 serves to specify the target geometry of the thin-walled side wall 2 of the body 3 in an electronic data model, to calculate the target-actual deviation from the comparison of the detected actual geometry and the predetermined target geometry of the thin-walled side wall 2 of the body 3, for determining local forming areas 6 (FIG. 2) in which the target actual deviation exceeds a predetermined limit value and for calculating an energy profile to be introduced in the local forming areas 6.
  • the device 1 has a clamping device 7 to clamp the body 3 on.
  • the clamping device 7 has a base plate 8 and a closure 9.
  • the interior of the body 3, here in the form of a hollow body, is connected to a controllable pressure device 26 in the form of a compressed air device 10 via the clamping device 7.
  • the controllable compressed air device 10 serves to pressurize the interior of the body 3 and the side wall 2 to be reshaped with pressure defined by compressed air.
  • a pressure device 26 working with a hydraulic medium could also be used instead.
  • the device 1 has a device 11 for the defined automated increase in the formability of the thin-walled side wall 2 of the body 3 in the local forming area 6 by means of a defined supply of energy in the local forming area 6 in accordance with the calculated location-dependent energy profile.
  • the device 11 is designed as a laser 12.
  • the desired geometry of the body 3 is shown in FIG given an electronic data model.
  • the target geometry can be generated from existing CAD data of the body 3 or can also be determined, for example, by measuring a model of the finished body 3.
  • the target geometry is stored in the electronic computer 5.
  • the blank or the body 3 to be machined is then clamped into the clamping device 7 and its actual geometry is measured by means of the geometry detection unit 4.
  • the geometry detection unit 4 is a 3D object measurement system 13, which records the geometry data of the body 3, as is symbolically represented by means of the rays 14.
  • the object measurement system 13 is connected to the electronic computer 5 in order to transmit the determined actual data of the body 3.
  • the data of the determined actual geometry are compared with the data of the predetermined target geometry of the finished body 3, and the target-actual deviation is calculated.
  • the local forming regions 6 are determined, in which the target-actual deviation exceeds a predetermined limit value. If the determined target / actual deviation does not exceed this limit value, no deformation of the thin-walled side wall 2 of the body 3 is necessary.
  • the electronic computer 5 calculates a location-dependent energy profile to be introduced in the local forming areas 6 using numerical methods. According to the calculated location-dependent energy profile, the deformability of the thin-walled side wall 2 of the body 3 in the local deformation regions 6 is increased in a defined manner by a defined supply of energy in the local deformation regions 6.
  • a laser beam 15 according to arrow 16 is moved along the surface of the body 3 to be machined by means of the laser 12 in such a way that the energy required for increasing the shapeability of the thin-walled side wall 2 of the body 3 is supplied to the corresponding shaping area 6 becomes.
  • the amount of energy or the degree of deformability of the body 3 is varied by varying the duration of action, intensity, pulse width or focus size of the laser beam 15. Because of the pressure
  • the side wall 2 of the body 3 to be reshaped by means of the compressed air device 10 then results in the desired reshaping of the body 3 exclusively in the current local reshaping area 6 in the direction of the lower pressure.
  • FIG. 2 The result of the reshaping in the local reshaping area 6 is shown in FIG. 2. It can be seen that the thin-walled side wall 2 of the body 3 was reshaped only in the reshaping area 6 of the body 3, in which a corresponding amount of energy was supplied by the laser 12 to increase the reshapability of the body 3. The other areas of the body 3 remained unchanged, but can be reshaped in further processing steps.
  • the partial mold 17 is brought into contact with the forming area 6 of the body 3. Then the outward pressure provided by the compressed air device 10 is brought to bear on the inner wall 2 of the body 3 in such a way that the extension 18 of the partial shape 17 produces the desired geometry in this area of the body 3.
  • the body 3 has a preformed molded part 19 which is already part of the starting blank.
  • FIG. 5 shows the body 3 according to FIG. 4 after the shaping in the shaping area 6.
  • the body 3 here is not a hollow body, but rather a flat plate shape.
  • the plate-shaped body 3 is clamped in a clamping device 20 with a pressure chamber 21.
  • the clamping device 20 has a base body 22 and a closure 23. In this embodiment too, there is a relative movement between the laser beam 15 and the base body 3 according to arrows
  • the laser beam 15 can basically reach almost all areas of the body 3.
  • FIG. 7 shows the body 3 according to FIG. 6 after the deformation has taken place in the deformation region 6.
  • the device 1 has two separate clamping devices 7 and separate compressed air devices 10, each of which is connected to the chambers of the body 3.
  • the two chambers of the body are separated by the thin-walled wall 2 of the body in the form of an inner wall.
  • the pressure within the two chambers of the body 3 is in each case greater than the ambient pressure. Due to the pressure conditions, the thin-walled inner wall 2 of the body 3 is stretched after the introduction of energy.
  • Geometry detection unit 14 beam

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Abstract

Automatisiertes Verfahren zum spanlosen Umformen einer dünnwandigen Seitenwandung eines Körpers und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit den Schritten: Vorgeben der Soll-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung (2) des Körpers (3) in einem elektronischen Datenmodell; automatisiertes Erfassen der Ist-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung (2) des Körpers (3) und Ablegen in einem elektronischen Datenmodell; Ermitteln von lokalen Umformungsbereichen (6), in denen die Soll-Ist-Abweichung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt; und definiertes automatisiertes Erhöhen der Umformbarkeit der dünnwandigen Seitenwandung (2) des Körpers (3) in den lokalen Umformungsbereichen (6) durch definierte Energiezufuhr in den lokalen Umformungsbereichen (6) gemäss dem berechneten ortsabhängigen Energieprofil, wobei die dünnwandige Seitenwandung (2) des Körpers (3) in den lokalen Umformungsbereichen (6) aufgrund ihrer definiert erhöhten Umformbarkeit und der einseitigen Beaufschlagung durch die Druckluft umgeformt wird.

Description

Automatisiertes Verfahren und Vorrichtung zum spanlosen Umformen eines Körpers
Die Erfindung betrifft ein automatisiertes Verfahren zum spanlosen Umformen einer dünnwandigen Seitenwandung eines Körpers und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren zum spanlosen Umformen einer dünnwandigen Seitenwandung eines Körpers ist aus der JP 08001760 A bekannt. Bei dem umzuformenden Körper handelt es sich um einen Hohlkörper, der bis auf eine endseitig angeordnete Öffnung geschlossen ausgebildet ist. Der Hohlkörper ist mit seinem die Öffnung aufnehmenden Ende in einer Befestigungseinrichtung befestigt. Der gesamte Hohlkörper wird soweit erhitzt, bis er eine hohe Umformbarkeit besitzt. In diesem Zustand des Hohlkörpers wird ein Fluid durch die Öffnung in den Hohlkörper eingeblasen. Das der Öffnung abgewandte Ende des Hohlkörpers wird mittels einer Zugstange und einer Druckstange so bewegt, bis der Hohlkörper die gewünschte Endform aufweist. Die Verteilung der Energie kann nur grob gesteuert werden, was zur Herstellung feiner und exakter Konturen nicht ausreicht. Die genaue Herstellung einer ortsabhängig definierten Wandstärke des erzeugten Körpers ist nicht möglich.
Ein weiteres Verfahren zum spanlosen Umformen einer dünnwandigen Seitenwandung eines Körpers ist als Blasformen ohne Gegenform bekannt. Der zu verformende Körper wird in einem Spannrahmen eingespannt und gleichmäßig erwärmt. Innerhalb des Spannrahmens wird ein Überdruck erzeugt, so daß der gesamte dünnwandige Körper nach außen gewölbt wird. Die dabei entstehende Kontur, z.B. eine Kuppel, hat immer die gleiche Form. Die Verteilung der Energie kann nur grob gesteuert werden, was zur Herstellung feiner und exakter Konturen nicht ausreicht. Die genaue Herstel- lung einer ortsabhängig definierten Wandstärke des erzeugten Körpers ist nicht möglich. Ein weiteres Verfahren zum spanlosen Umformen einer dünnwandigen Seitenwandung eines Körpers ist als Glasblasen bekannt. Bei diesem manuellen Verfahren wird der Hohlkörper aus Glas mittels einer Flamme in größeren Bereichen seiner Oberfläche so stark erhitzt, bis die gewünschte Umformbarkeit erreicht ist. Daraufhin beaufschlagt der Glasbläser den Hohlkörper von innen mit Luftdruck, indem er in den Hohlkörper hineinbläst. Die erreichbare Genauigkeit der Umformung ist sehr stark vom Geschick des Glasbläsers abhängig. Abweichungen zur Soll-Geometrie des Kör- pers werden nicht exakt gemessen, sondern nur grob abgeschätzt. Insbesondere die Anfertigung genauer 3D-Freiformflachen bereitet enorme Schwierigkeiten. Die meßbare Überprüfung des Ergebnisses ist nicht möglich. Infolgedessen können auch keine genauen Korrekturen durchgeführt werden. Ein weiterer Nachteil bei der Handarbeit ist dadurch gegeben, daß die genaue Herstellung einer ortsabhängig definierten Wandstärke des erzeugten Körpers nicht möglich ist. Die Materialstärke des geblasenen Hohlkörpers läßt sich in Abhängigkeit von der Oberflächenkoordinate nicht steuern, sondern muß so hingenommen werden, wie sie sich beim Umformprozeß ergibt. Bereiche, die bei der Umformung die größte Dehnung erfahren, werden nach Vollendung des Umformprozesses am dünnsten ausfallen. Deshalb muß ein Ausgangskörper zu Beginn der Umformung an jeder Stelle so viel Material aufweisen, daß der fertige Körper an seiner schwächsten Stelle immer noch haltbar genug ist, um den erforderlichen Belastungen standzuhalten. Dadurch ist an vielen Stellen des Körpers mehr Material als notwendig vorhanden. Hieraus resultiert eine relativ große Masse des Körpers. Noch weniger als die Genauigkeit der Form des Körpers ist bei der Handarbeit die Güte der erhaltenen Oberfläche erfaßbar. Welligkeit und andere Unebenheiten der Oberfläche, die aufgrund der manuellen Bearbeitung entstanden sind, lassen sich nicht wieder ausgleichen. Ferner ist bei der Handarbeit eine gezielt strukturierte Veränderung der Umformbarkeit des Materials des Körpers nicht erreichbar. Die Verteilung der Wärme kann nur grob gesteuert werden, was zu Fehlern bei der Umformung führt . Desweiteren sind automatisierte Blasverfahren zum spanlosen Umformen einer dünnwandigen Seitenwandung eines Körpers bekannt. Die dazu verwendete Blasmaschine muß für die Erzeugung einer bestimmten Geometrie des Körpers speziell eingerichtet werden. Die Verfahren sind lediglich für Glas und thermoplastische Kunststoffe geeignet. Die genaue Herstellung einer ortsabhängig definierten Wandstärke des erzeugten Körpers ist nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum spanlosen Umformen einer dünnwandigen Seitenwandung eines Körpers bereitzustellen, mit denen eine flexible, wirtschaftliche, automatisierte Herstellung von Körpern in Kleinserien möglich ist.
Erfindungsgemäß wird dies bei dem Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und bei der Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 11 erreicht.
Bei dem automatisierten Verfahren zum spanlosen Umformen einer dünnwandigen Seitenwandung eines Körpers wird zunächst die Soll- Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers in einem elektronischen Datenmodell vorgegeben. Die Ist-Geometrie der umzuformenden dünnwandigen Seitenwandung des Körpers wird ebenfalls automatisiert erfaßt und in einem elektronischen Daten- modeil abgelegt. Die Soll-Ist-Abweichung wird aus dem Vergleich der erfaßten Ist-Geometrie mit der vorgegebenen Soll-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers berechnet, und lokale Umformungsbereiche, in denen die Soll-Ist-Abweichung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, werden ermittelt. Ein orts- abhängig einzubringendes Energieprofils wird in den lokalen Umformungsbereichen mit numerischen Methoden berechnet. Eine Seite der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers wird mit definiertem Druck beaufschlagt. Die Umformbarkeit der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers wird in definierter, automatisierter Weise in den lokalen Umformungsbereichen durch definierte Energiezufuhr in den lokalen Umformungsbereichen gemäß dem berechneten ortsabhängigen Energieprofil erhöht, wobei die dünnwandige Seitenwandung des Körpers in den lokalen Umformungsbereichen aufgrund ihrer definiert erhöhten Umformbarkeit und der einseitigen Druckbeaufschlagung umgeformt wird.
Ausgangspunkt des automatisierten Verfahrens ist das Vorliegen eines elektronischen Datenmodells des Körpers. Beispielsweise kann es sich dabei um CAD- oder Bilddaten des fertigen Endprodukts handeln. Die gewünschte Soll-Geometrie des Körpers wird durch schrittweises Umformen des Ausgangskörpers erreicht, indem die Umformbarkeit der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers in einem oder mehreren lokalen Umformungsbereichen definiert erhöht wird. Bei einem lokalen Umformungsbereich, in dem die Umformbarkeit erhöht wurde, handelt es sich um einen kleinen Teilbereich, in welchem das berechnete ortsabhängige Temperaturprofil einge- bracht wurde. Auch können mehrere lokale Umformungsbereiche gemeinsam einen globalen Umformungsbereich bilden, der ein inhomogenes Temperaturprofil aufweist. Auch die lokalen Umformungsbereiche selbst können wiederum ein inhomogenes Temperaturprofil aufweisen. Bei der dünnwandigen Seitenwandung kann es sich um eine Außenwandung oder auch eine innere Wandung des Körpers handeln. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen der durch das Druckmedium beaufschlagten Seite der Seitenwandung des Körpers und der durch Umgebungsdruck beaufschlagten anderen Seite der Seitenwandung des Körpers wird die dünnwandige Seiten- wandung des Körpers bei ausreichend großer Umformbarkeit bzw. elastisch-plastischer Verformbarkeit umgeformt. Es werden lokale Umformungsbereiche berechnet, in denen die Soll-Ist-Abweichung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Innerhalb dieser Umformungsbereiche wird das aufzubringende Energieprofil sowie die benötigte Druckdifferenz berechnet. Diese Zustandsparameter können durch Lösung der entsprechenden kontinuumsmechanischen Differentialgleichungen mittels numerischer Methoden bestimmt werden. Andere Berechnungsverfahren, wie Fuzzy-logic, neuronale Netze u. dgl., sind ebenfalls anwendbar und dem Fachmann hinreichend bekannt.
Das neue Verfahren kann in dem Sinne einstufig sein, daß jeder Bereich der Seitenwandung des Körpers nur einmal umgeformt wird. Zur Einhaltung enger Toleranzen zwischen der durch die Umformung erreichten Ist-Geometrie und der vorgegebenen Soll-Geometrie ist aber ein mehrstufiges, d.h. iteratives, Verfahren bevorzugt, bei dem zumindest das automatisierte Erfassen der Ist-Geometie der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers nach dem ersten Umformschritt wiederholt wird. Wenn eine anschließende Berechnung einer noch vorhandenen Soll-Ist-Abweichung aus dem Vergleich der jetzt erfaßten Ist-Geometrie mit der vorgegebenen Soll-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers die Einhaltung des vorgegebenen Grenzwerts belegt, kann das Verfahren beendet werden. Wenn der Grenzwert aber zumindest vereinzelt noch überschritten wird, sind erneut die lokalen Umformungsbereiche, in denen die Soll-Ist-Abweichung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, zu ermitteln, und einem weiteren Umformschritt zu unterwerfen.
Wenn ein Körper umgeformt wird, liegt ein Rand vor, der Bereiche, die schon die gewünschte Geometrie haben, von Bereichen trennt, die noch umzuformen sind. Nun können in dem jeweiligen umzuformenden Bereich sowohl nur Teilbereiche bearbeitet, oder aber auch dem gesamten umzuformenden Bereich Energie zugeführt werden. Das jeweils einzubringende Temperaturprofil kann dabei in dem Bereich konstant sein, wenn dieser sehr klein ist. In der Regel handelt es sich jedoch um ein inhomogenes Temperaturprofil in dem jeweiligen umzuformenden Bereich. Man kann sich dies anhand des Beispiels eines zu fertigenden Puppenkopfes vorstellen, der aus einem eiförmigen Rohling gefertigt wird. Angenommen, der Rohling hat im Bereich des Hinterkopfes bereits die gewünschte Geometrie, das Gesicht muß aber noch bearbeitet werden. Der Randverlauf ist in diesem Fall klar. Es kann jedoch sein, daß z.B. die Wangen auch schon die gewünschte Geometrie besitzen, Augen, Mund, Nase und das Kinn aber noch umgeformt werden müssen. Dann bildet das Gesicht den globalen Umformungsbereich, und die genannten Partien Augen, Mund, Nase, Kinn sind die lokalen Umformungsbereiche. Um die Nase auszuprägen, benötigt man auch in diesem lokalen Umfor- mungsbereich ein inhomogenes Temperaturprofil. Entspricht die Ist-Geometrie insgesamt noch nicht der Soll-Geometrie, so muß das Gesicht des Puppenkopfes als Ganzes noch bearbeitet werden, wobei ein inhomogenes Temperaturprofil vorliegt.
Der Körper kann ohne Verwendung einer Form umgeformt werden. Dies bietet sich insbesondere bei Kleinstserien bzw. Einzelerzeugnissen an. Der Verzicht auf eine Form hat den großen Vorteil, daß die Rüstzeiten minimiert werden und keine zusätz- liehen Kosten für den Formenbau anfallen.
Die Seite der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers kann mit Druckluft definierten Drucks oder mit einem Hydraulikmedium, vorzugsweise Hydrauliköl, beaufschlagt werden. Die hydraulische Druckbeaufschlagung hat den Vorteil, daß eine Erwärmung des Körpers durch das Hydraulikmedium auf eine Grundtemperatur durchgeführt werden kann und der Umformungsbereich des Körpers schneller abkühlt. Der durch die auf die dünnwandige Seitenwandung des Körpers aufgebrachte Druck kann dabei konstant sein. Dies hat den Vorteil, daß als Parameter lediglich die Auswahl des Umformungsbereichs und der Einwirkungsdauer bzw. Intensität der Energiezufuhr verbleiben, während der Druck unverändert bleibt. Beispielsweise bietet es sich an, bei gleichen Materialien einen gleich hohen Druck zu verwenden. Auch ist es möglich, bei unterschiedlichen Materialien des Körpers je nach Umformbarkeit des jeweiligen Materials unterschiedliche Drücke zu verwenden. Für die Bearbeitung von Metallen bietet sich ein höherer Druck an, als dies bei Kunststoffen der Fall ist. Ebenso ist es durchführbar, den Druck als weiteren Parameter während des Umformverfahrens zu variieren.
Die Ist-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers kann kontinuierlich erfaßt und in Abhängigkeit davon die Energiezufuhr geregelt werden. Es wird in Intervallen ein aufzu- bringendes Energieprofil bestimmt, das in definierter Weise die Umformbarkeit der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers in dem lokalen Umformungsbereich erhöht. Hierdurch ist es möglich, eine hohe Genauigkeit bei der Umformung der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers zu erreichen. So kann zunächst in dem zu bearbeitenden lokalen Umformungsbereich eine geringere Energiemenge als berechnet aufgebracht und die sich daraus ergebende Verformung aufgenommen und vermessen werden. In Abhängigkeit von der nunmehr bestimmten Ist-Geometrie wird die erforderliche Erhöhung der Umformbarkeit des Körpers bestimmt. Dieser Prozeß wird solange wiederholt, bis die Soll-Ist-Abweichung den vorgegebenen Grenzwert nicht mehr übersteigt. Es ist aber auch möglich, die Umformung des Körpers in einem Schritt vorzunehmen, wenn die dafür erforderlichen Parameter hinreichend bekannt sind. Insbesondere bei Körpern, die keine extrem hohe Bearbeitungsgenauigkeit erfordern, bietet es sich an, nur einen oder wenige Umformschritte in einem lokalen Umformungsbereich vorzu- nehmen.
Das ortsabhängig einzubringende Energieprofil kann für jeden Umformschritt in den lokalen Umformungsbereichen jeweils neu berechnet und entsprechend auf den Körper eingebracht werden. Damit ergibt sich eine besonders genaue Erreichung der gewünschten Umformung des Körpers .
Die Wandstärke der Seitenwandung des Körpers kann durch gezielte Auswahl des lokalen Umformungsbereichs variiert werden. Dies bedeutet u. a. , daß die Wandstärke des Körpers nicht notwendigerweise über die gesamte Oberfläche des Körpers konstant ist. So kann ein und dieselbe äußere Geometrie des Körpers durch Verwendung unterschiedlicher lokaler Umformungsbereiche erzielt werden, wobei die Wandstärke der Seitenwandung des einen Körpers dann anders ausgebildet ist als die Wandstärke des anderen Körpers. Eine Variierung der Wandstärke der Seitenwandung des Körpers ist insbesondere dann sinnvoll, wenn zur strukturellen Verstärkung des Körpers bzw. des Bauteils in bestimmten Bereichen eine erhöhte Wandstärke erforderlich ist. Hierfür muß dann jedoch nicht der gesamte Körper diese Wandstärke aufweisen. Hieraus resultiert eine vorteilhafte Reduzierung der Masse bzw. des Gewichts des Körpers. Die Energie kann gemäß dem berechneten ortsabhängigen Energieprofil definiert durch einen Laserstrahl zugeführt werden. Ein Laserstrahl ist besonders gut steuerbar, so daß die Oberfläche der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers in den gewünschten Umformungsbereich abgescannt wird. Der Laserstrahl besitzt hierfür die gewünschte Genauigkeit und eine exakte Dosierungsmöglichkeit der Intensität der Energiezufuhr. Aufgrund des sehr lokalen Energieeintrags können mit dem Laserstrahl sehr schmale Energieprofile und somit sehr feine Konturen erzeugt werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, für die Energiezufuhr eine andere Energiequelle zu verwenden. Beispielsweise kann ein Heizstrahler angewendet werden.
Die Umformbarkeit der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers kann durch Variierung der Einwirkdauer, Intensität, Pulεweite oder Fokusgröße des Laserstrahls variiert werden. Wichtig ist letztlich, daß die Umformbarkeit in definierter Art und Weise beeinflußt wird, so daß sich eine möglichst genaue vorausεagbare Umformung in dem Umformungsbereich des Körpers ergibt.
Die lokalen Umformungsbereiche können nach Erreichen der gewünschten Umformung der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers abgekühlt werden. Die notwendige Bearbeitungszeit für die Umformung des Körpers reduziert sich.
Das neue Verfahren kann auch als FDS-Verfahren (Flexible Direct Shaping) bezeichnet werden. Das Verfahren bietet eine Vielzahl von Vorteilen: alle Körper können mit großer Formgenauigkeit, definierter Wandstärke und hoher Qualität gefertigt werden. Diese Größen sind mit hoher Genauigkeit meß- und steuerbar. Der Fertigungsprozeß wird stark beschleunigt, da funktionsfähige Produkte umgehend verfügbar sind. Jeder Körper kann sofort und ohne größere Vorbereitungen produziert werden, wenn ein elektronisches Datenmodell vorhanden ist. Es wird eine enorme Kosten- ersparnis erzielt, vor allem bei der Fertigung von individuellen Produkten, Einzelanfertigungen sowie bei Klein- und Mittelserien, da keine aufwendigen Formen angefertigt werden müssen. Eine enorme Zeitersparnis wird erzielt, denn je komplizierter der herzustellende Körper ist, beispielsweise eine Prothese, desto schneller ist das Verfahren im Vergleich zu bekannten Fertigungsverfahren. Die Fertigungszeiten sind nahezu unabhängig von der Größe deε Körpers. Die Bearbeitungszeit eines Körpers bzw. Werkstücks hängt hauptsächlich davon ab, wie ähnlich die Ausgangsform des Rohlings dem zu erzeugenden Körpers bereits ist. Das FDS-Verfahren ist grundsätzlich für alle umformbaren Materalien geeignet. Auch können Körper, die aus verschiedenen, umformbaren Materialien zusammengesetzt sind, bearbeitet werden. Es können beliebige Ausgangsformen verarbeitet werden, wobei vorgefertigte Formflächen und andere Werkstücke (Rippen usw. ) unverändert erhalten bleiben können. Nur solche Bereiche, in denen Soll-Geometrie und Ist-Geometrie noch nicht übereinstim- men, müssen umgeformt werden. Die Integration von anderen Standardbauteilen ist ebenfalls möglich. Besonders komplizierte, verwinkelte Formteile, z. B. Hinterschneidungen, können auε einem Stück gefertigt werden. Meist sind keine folgenden Bearbeitungsschritte (Fügen von Halbschalen etc.) erforderlich. Bereits gefertigte Körper können schnell abgeändert werden. Ein vorhandener und bereits verwendeter Körper kann ebenso umgeformt werden, wie ein beliebiger Rohling. Alte Körper können wiederverwendet, Standardrohlinge können schnell an individuelle Wünsche angepaßt und verändert werden. Aufgrund der Tatsache, daß das Verfahren berührungslos arbeitet, entsteht kein Verschleiß von Werkzeugen. Der Einsatz von Schmierstoffen o. dgl. ist nicht erforderlich. Die Vorteile des FDS-Verfahrens liegen vor allem im Bereich der Klein- und Mittelserienfertigung sowie der Herstellung individueller Erzeugnisse. Mit dem Verfahren wird die Herstellung von individuellen Produkten nicht wesentlich aufwendiger als die von vergleichbaren Standardprodukten. Anstatt auf verschiedene Formwerkzeuge zurückzugreifen, reicht das Vorhandensein eines Datenmodells aus, um daraus mit dem FDS- Verfahren direkt ein Erzeugnis herzustellen. Die reine Ferti- gungszeit für ein individuelleε Erzeugnis, je nach Umfang der durchzuführenden Umformarbeiten, dauert nur einige Sekunden bis wenige Minuten. Dadurch werden die Fertigungskosten reduziert und mit denen bekannter Verfahren vergleichbar.
Die Vorrichtung zum spanlosen Umformen einer dünnwandigen Seitenwandung eines Körpers weist eine Geometrieerfassungεein- heit zum automatisierten Erfassen der Ist-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers auf. Ein elektronischer Rechner zum Vorgeben der Soll-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers in einem elektronischen Datenmodell, zum Berechnen der Soll-Ist-Abweichung aus dem Vergleich der erfaßten Ist-Geometrie mit der vorgegebenen Soll-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers, zum Ermitteln von lokalen Umformungsbereichen, in denen die Soll-Ist-Abweichung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, und zum Berechnen eines ortsabhängig einzubringenden Energieprofils in den lokalen Umformungsbe- reichen, ist vorhanden. Eine regelbare Druckvorrichtung dient zum Beaufschlagen einer Seite der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers mit definiertem Druck. Eine Vorrichtung dient zum definierten automatisierten Erhöhen der Umformbarkeit der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers in den lokalen Umformungs- bereichen durch definierte Energiezufuhr in den lokalen Umformungsbereichen in Abhängigkeit von der berechneten Soll-Ist- Abweichung, wobei die dünnwandige Seitenwandung des Körpers in den lokalen Umformungsbereichen aufgrund ihrer definiert erhöhten Umformbarkeit und der einseitigen Beaufschlagung durch den Druck umgeformt wird. Die Geometrieerfassungseinheit zum automatisierten Erfassen der Ist-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers in einem elektronischen Datenmodell dient dazu, die vorhandene Geometrie des Körpers bzw. Werkstücks festzustellen, um die durchzuführenden Prozeßschritte zu bestim- men. Dabei sind insbesondere die Genauigkeit der Konturdaten, die Geschwindigkeit der Datenerfassung und die Vollständigkeit der erfaßten Daten von Bedeutung.
Die Druckvorrichtung kann eine Druckluftvorrichtung sein. Es kann aber auch eine mit einem Hydraulikmedium arbeitende Druckvorrichtung Verwendung finden. Die Ist-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers kann mit einem 3D-Objektvermesεungεεyεtem erfaßt werden. Das SD- Objektvermessungssystem beinhaltet eine Digitalkamera sowie entsprechende Steuerungsvorrichtungen und die zugehörige Soft- wäre. Alternativ zu der Objektvermessung mit einer Digitalkamera ist es auch möglich, Ultraschall, Radar, Lidar und sonstige Abstandssenεoren zu verwenden.
Eε kann eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen der lokalen Umfor- mungsbereiche nach Erreichen der gewünschten Umformung der dünnwandigen Seitenwandung des Körpers vorgesehen sein. Durch die schnellere Abkühlung des Körpers in dem zuvor erwärmten Umformungsbereich kann die notwendige Bearbeitungszeit für die Umformung des Körpers weiter reduziert werden.
Für die Energiezufuhr in einem bestimmten lokalen Umformungsbereich des Körpers kann der Körper und/oder die Vorrichtung zum definierten automatisierten Erhöhen der Umformbarkeit bewegt werden. Es ist sicherzustellen, daß jede zu manipulierende Stelle der dünnwandigen Seitenwandung des Körperε für die Energiezufuhr zugänglich iεt.
Zur Veränderung der Umformbarkeit wird dem umzuformenden Körper in dem aktuellen lokalen Umformungεbereich Energie zugeführt, so daß er, je nach Material des Körpers, eine Temperatur erreicht, bei der eine Umformung aufgrund des durch die Druckluft aufgebrachten Drucks stattfindet. Die Energie kann auf verschiedene Arten zugeführt werden. Beispielsweise kann die Vorrichtung zum definierten Erhöhen der Umformbarkeit ein Laser sein. Der Laser- strahl des Lasers wird dann so gesteuert, daß das ortsabhängige Energieprofil in den umzuformenden lokalen Umformungsbereich des Körpers eingebracht wird, beispielsweise durch abscannen mit dem Laserstrahl oder mittels eines steuerbaren Mikrospiegelεyεtemε. Alternativ kann auch ein lokalisierter Heißluftstrahl verwendet werden. Der gesamte Umformungsprozeß kann durch eine computer- geεtützte Simulation εimuliert werden. Aufgrund der Simulation lassen sich die einzustellenden Parameter, beispielsweise Te - peratur, Intensität der Energiequelle und Druck der Druckluft, bestimmen. Hierzu können FEM-Simulationsprogramme verwendet werden, die es erlauben, die Ausdehnung des Körpers mit hinreichend großer Genauigkeit zu berechnen. Auch andere Methoden, wie z. B. Fuzzy-logic, neuronale Netze usw., sind einsetzbar. Alle erforderlichen Materialparameter, wie z. B. E-Modul, Temperatur usw. , können über die Oberfläche des Körpers beliebig variiert werden.
Mittels einer IR-Kamera oder einem anderen Thermographie- verfahren kann das vorhandene Temperaturprofil des Materials im Umformungεbereich deε Körperε erfaßt und in Abhängigkeit davon daε erforderliche aufzubringende Energieprofil bestimmt werden.
Zur Steuerung der Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug sind Roboter und Bewegungseinheiten geeignet. Wenn es sich bei dem Körper um einen relativ flachen Formkörper mit einer nur mäßigen zu erzielenden Genauigkeit handelt, kann es genügen, eine zweiachsige Vorrichtung zur Bewegung der Energiezufuhr einzusetzen. Bei länglichen Hohlkörpern weist die FDS-Anlage ebenfalls zwei Achsen zur Positionierung der Energiezufuhr und zusätzlich eine Drehachse für die Rotation des Körpers auf. Beispielεweise kann bei Verwendung eines Lasers für die Energiezufuhr der Laserstrahl mittels eines schnell drehenden Spiegels auf die gewünschte Stelle der zu bearbeitenden Oberfläche des Körpers gelenkt werden. Wichtig ist letztendlich, daß das berechnete Energieprofil mit der erforderlichen Genauigkeit aufgebracht wird.
Neben der reinen Umformung ist zusätzlich die Integration verschiedener, bereits bekannter Verfahren möglich. Beispiele hierfür sind das Ausschneiden von bestimmten Bereichen nach Beendigung der Umformung, das Verschweißen des umgeformten Körpers mit anderen Formteilen, das Tempern des Materials zum Ausheilen der Oberfläche des Körpers, das Schmelzen des Materials, um durch den erzeugten Materialfluß die Wandstärke der Seitenwandung zusätzlich zu verändern (Schmelzfließen) und das Sintern zur gezielten Aufbringung von Material in bestimmten Bereichen deε Körperε .
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeiεpielen weiter erläutert und beεchrieben.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer automatisierten Vorrichtung zum Umformen eines Körpers vor Beginn des Umformungsprozesses.
Fig. 2 zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 1 nach erfolgter Umformung eines Umformungsbereichs des Körpers.
Fig. 3 zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 1 bei Verwendung einer Teilform.
Fig. 4 zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit einem ein vorgeformtes Formteil auf eiεenden Körper.
Fig. 5 zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 4 mit dem umgeformten
Körper .
Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung mit einem plattenförmigen Körper vor dessen Umformung.
Fig. 7 zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 6 mit dem umgeformten plattenförmigen Körper.
Fig. 8 zeigt die Umformung einer dünnwandigen Seitenwandung deε Körperε mit definierter Wandstärke.
Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungεform der Vorrichtung mit einem Körper mit einer Doppelkammer vor dessen Umformung.
Fig. 10 zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 9 mit dem umgeformten Körper. Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum automatisierten spanlosen Umformen einer dünnwandigen Seitenwandung 2 eines Körperε 3. Der Körper 3 beεteht auε Kunεtstoff. Der Körper 3 könnte jedoch auch aus Metall, Glas, einem Verbund- εtoff oder einem εonεtigen umformbaren Material beεtehen. Die Vorrichtung 1 weist eine Geometrieerfaεεungεeinheit 4 zum auto- matiεierten Erfaεεen der Iεt-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung 2 deε Körperε 3 in einem elektronischen Datenmodell auf. Ein elektronischer Rechner 5 dient zum Vorgeben der Soll-Geo- metrie der dünnwandigen Seitenwandung 2 des Körpers 3 in einem elektronischen Datenmodell, zum Berechnen der Soll-Ist-Abweichung aus dem Vergleich der erfaßten Ist-Geometrie und der vorgegebenen Soll-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung 2 des Körpers 3, zum Ermitteln von lokalen Umformungsbereichen 6 (Fig. 2), in denen die Soll-Iεt-Abweichung einen vorgegebenen Grenzwert überεteigt und zum Berechnen eines ortsabhängig einzubringenden Energieprofils in den lokalen Umformungsbereichen 6. Weiterhin weist die Vorrichtung 1 eine Einspannvorrichtung 7 zum Einspannen des Körpers 3 auf. Die Einspannvorrichtung 7 weist eine Basisplatte 8 und einen Verschluß 9 auf. Über die Einspannvorrichtung 7 ist der Innenraum des Körpers 3 , hier in Form eines Hohlkörpers ausgebildet, mit einer regelbaren Druckvorrichtung 26 in Form einer Druckluftvorrichtung 10 verbunden. Die regelbare Druckluftvorrichtung 10 dient zum Beaufschlagen des Innenraums des Körpers 3 und der umzuformenden Seitenwandung 2 mit Druckluft definierten Drucks. Es könnte jedoch auch statt- desεen eine mit einem Hydraulikmedium arbeitende Druckvorrichtung 26 Verwendung finden. Schließlich weist die Vorrichtung 1 eine Vorrichtung 11 zum definierten automatisierten Erhöhen der Umformbarkeit der dünnwandigen Seitenwandung 2 des Körperε 3 in dem lokalen Umformungεbereich 6 durch definierte Energiezufuhr in dem lokalen Umformungsbereich 6 gemäß dem berechneten ortsabhängigen Energieprofil auf. Die Vorrichtung 11 ist als Laser 12 ausgebildet.
Fig. 1 zeigt die Vorrichtung 1 zu Beginn des Umformprozesεeε des Körpers 3. Zunächst wird die Soll-Geometrie des Körpers 3 in einem elektronischen Datenmodell vorgegeben. Die Soll-Geometrie kann aus vorhandenen CAD-Daten des Körpers 3 generiert oder auch beispielsweiεe durch Vermessen eines Modells des fertigen Körpers 3 ermittelt werden. Die Soll-Geometrie wird in dem elek- tronischen Rechner 5 abgespeichert. Daraufhin wird der Rohling bzw. der zu bearbeitende Körper 3 in die Einspannvorrichtung 7 eingespannt und dessen Ist-Geometrie mittels der Geometrie- erfasεungseinheit 4 vermessen. Bei der Geometrieerfasεungε- einheit 4 handelt es sich um ein 3D-Objektvermessungssystem 13, das die Geometriedaten des Körpers 3 aufnimmt, wie dies symbolhaft mittels der Strahlen 14 dargestellt ist. Das O jektvermes- sungεsyste 13 ist zur Übermittlung der ermittelten Ist-Daten des Körpers 3 mit dem elektronischen Rechner 5 verbunden. Mittelε deε Rechners 5 werden die Daten der ermittelten Ist- Geometrie mit den Daten der vorgegebenen Soll-Geometrie des fertigen Körpers 3 verglichen, und die Soll-Ist-Abweichung wird berechnet. Anhand dieser Soll-Ist-Abweichungen werden die lokalen Umformungsbereiche 6 ermittelt, in denen die Soll-Ist- Abweichung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Wenn die ermittelte Soll-Ist-Abweichung diesen Grenzwert nicht übersteigt, ist keine Umformung der dünnwandigen Seitenwandung 2 des Körperε 3 notwendig. Der elektronische Rechner 5 berechnet ein ortsabhängig einzubringendes Energieprofil in den lokalen Umformungsbereichen 6 mit numerischen Methoden. Gemäß dem berechneten ortsabhängigen Energieprofil wird die Umformbarkeit der dünnwandigen Seitenwandung 2 des Körpers 3 in den lokalen Umformungsbereichen 6 durch definierte Energiezufuhr in den lokalen Umformungsbereichen 6 definiert erhöht. Für die Umformung des lokalen Umformungsbereiches 6 wird mittels des Laεerε 12 ein Laserstrahl 15 gemäß Pfeil 16 so entlang der zu bearbeitenden Oberfläche des Körpers 3 bewegt, daß die für die Erhöhung der Umformbarkeit der dünnwandigen Seitenwandung 2 des Körpers 3 notwendige Energie dem entsprechenden Umformungsbereich 6 zugeführt wird. Die Energiemenge bzw. der Grad der Umformbarkeit des Körpers 3 wird dabei durch Variierung der Einwirkdauer, Intensität, Pulsweite oder Fokusgröße des Laserstrahls 15 variiert. Aufgrund der druckmäßigen Beaufschlagung der umzuformenden Seitenwandung 2 des Körpers 3 mittels der Druckluftvorrichtung 10 ergibt sich dann die gewünschte Umformung des Körpers 3 ausεchließlich in dem aktuellen lokalen Umformungsbereich 6 in Richtung des niedrigeren Druckε.
Daε Ergebniε der Umformung in dem lokalen Umformungεbereich 6 ist in Fig. 2 dargestellt. Es ist erkennbar, daß eine Umformung der dünnwandigen Seitenwandung 2 des Körpers 3 nur in dem Umformungsbereich 6 des Körpers 3 stattgefunden hat, in dem mittels des Lasers 12 eine entsprechende Energiemenge zur Erhöhung der Umformbarkeit des Körpers 3 zugeführt wurde. Die anderen Bereiche des Körperε 3 blieben unverändert, können jedoch in weiteren Bearbeitungεεchritten umgeformt werden.
In Fig. 3 ist die zusätzliche Hinzunahme einer Teilform 17 dargestellt. Nachdem die Erhöhung der Umformbarkeit der dünnwandigen Seitenwandung 2 des Körpers 3 mittels des Laserεtrahls 12 erfolgt ist, wird die Teilform 17 mit dem Umformungsbereich 6 des Körpers 3 in Kontakt gebracht. Dann wird der durch die Druckluftvorrichtung 10 bereitgestellte, nach außen gerichtete Druck so auf die Innenwandung 2 des Körpers 3 zu Einwirkung gebracht, daß der Fortsatz 18 der Teilform 17 die gewünschte Geometrie in diesem Bereich des Körperε 3 erzeugt.
Fig. 4 zeigt eine etwas andere Ausführungεform der Vorrichtung 1. Der Körper 3 weiεt ein vorgeformteε Formteil 19 auf, das bereits Bestandteil des Ausgangsrohlings ist.
Fig. 5 zeigt den Körper 3 gemäß Fig. 4 nach der Umformung in dem Umformungsbereich 6.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungεform der Vorrichtung 1. Der Körper 3 iεt hier nicht alε Hohlkörper, εondern in ebener Plattenform ausgebildet. Zur Aufbringung des notwendigen Druckε ist der plattenförmige Körper 3 in eine Einspannvorrichtung 20 mit einer Druckkammer 21 eingespannt. Die Einspannvorrichtung 20 weist dabei einen Grundkörper 22 und einen Verschluß 23 auf. Auch bei dieεer Auεführungεform findet eine Relativbewegung zwischen dem Laserεtrahl 15 und dem Grundkörper 3 gemäß Pfeilen
24 εtatt, εo daß der Laserstrahl 15 grundsätzlich nahezu alle Bereiche des Körpers 3 erreichen kann.
Fig. 7 zeigt den Körper 3 gemäß Fig. 6, nachdem die Umformung in dem Umformungsbereich 6 εtattgefunden hat.
Fig. 8 zeigt zwei identiεch ausgebildete Körper 3 vor der Umfor- mung und zwei mögliche unterschiedliche fertige Körper 3. Hierbei wird deutlich, daß durch entsprechende Auswahl der Umformungsbereiche 6 ein und dieselbe äußere Geometrie der Körper 3 bei unterschiedlicher Wandstärke erzielt werden kann. Der Pfeil
25 verdeutlicht dabei, in welche Richtung daε Material des Körpers 3 geflosεen iεt.
Die Fig. 9 und 10 zeigen eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung 1 mit einem Körper 3 mit einer Doppelkammer. Die Vorrichtung 1 weist zwei separate Einspannvorrichtungen 7 und separate Druckluftvorrichtungen 10 auf, die jeweils mit der Kammern des Körpers 3 verbunden sind. Die beiden Kammern des Körpers sind durch die dünnwandige Wandung 2 deε Körperε in Form einer Innenwandung getrennt. Der Druck innerhalb der beiden Kammern deε Körpers 3 ist jeweils größer als der Umgebungεdruck. Aufgrund der Druckverhältnisse ergibt sich nach der Einbringung von Energie eine Streckung der dünnwandigen Innenwandung 2 des Körpers 3.
BEZUGSZEICHENLISTE
Vorrichtung 11 - Vorrichtung
Seitenwandung 12 - Laεer
Körper 13 - Objektvermeεεungεsystem
Geometrieerfasεungεeinheit 14 - Strahl
Rechner 15 - Laserεtrahl
Umformungεbereich 16 - Pfeil
Einspannvorrichtung 17 - Teilform
Basiεplatte 18 - Fortsatz
Verεchluß 19 - Formteil
Druckluftvorrichtung 20 - Einspannvorrichtung
- Druckkammer 26 - Druckvorrichtung - Grundkörper - Verεchluß - Pfeil - Pfeil

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Automatisiertes Verfahren zum spanlosen Umformen einer dünnwandigen Seitenwandung eines Körpers, mit den Schritten:
Vorgeben der Soll-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung (2) des Körpers (3) in einem elektronischen Datenmodell; automatisiertes Erfassen der Ist-Geometie der dünnwandigen Seitenwandung (2) des Körpers (3) und Ablegen in einem elektronischen Datenmodell;
Berechnen der Soll-Ist-Abweichung auε dem Vergleich der erfaßten Iεt-Geometrie mit der vorgegebenen Soll-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung (2) deε Körperε (3);
Ermitteln von lokalen Umformungsbereichen (6), in denen die Soll-Iεt-Abweichung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt;
Berechnen eines ortsabhängig einzubringenden Energieprofils in den lokalen Umformungsbereichen (6) mit numerischen Methoden; Beaufschlagen einer Seite der dünnwandigen Seitenwandung (2) des Körpers (3) mit definiertem Druck; und definiertes automatisiertes Erhöhen der Umformbarkeit der dünnwandigen Seitenwandung (2) des Körperε (3) in den lokalen Umformungεbereichen (6) durch definierte Energiezufuhr in den lokalen Umformungεbereichen (6) gemäß dem berechneten ortsabhängigen Energieprofil, wobei die dünnwandige Seitenwandung (2) des Körpers (3) in den lokalen Umformungsbereichen (6) aufgrund ihrer definiert erhöhten Umformbarkeit und der einseitigen Druckbeaufεchlagung umgeformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (3) ohne Verwendung einer Form umgeformt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seite der dünnwandigen Seitenwandung (2) des Körpers (3) mit Druckluft oder Hydraulikmedium definierten Drucks beaufschlagt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ist-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung
(2) des Körpers (3) kontinuierlich erfaßt und in Abhängigkeit davon die Energiezufuhr geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das ortsabhängig einzubringende Energieprofil für jeden Umformschritt in den lokalen Umformungsbereichen (6) jeweils neu berechnet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Seitenwandung (2) des Körpers
(3) durch gezielte Auswahl des jeweiligen lokalen Umformungs- bereichs (6) variiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß die Energie in den lokalen Umformungsbereichen (6) gemäß dem berechneten ortεabhängigen Energieprofil definiert durch einen Laεerεtrahl (15) zugeführt wird, wobei die Umformbarkeit der dünnwandigen Seitenwandung (2) deε Körperε (3) durch Variierung der Einwirkdauer, Intenεität, Pulεweite oder Fokusgröße des Laεerεtrahls (15) variiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lokalen Umformungsbereiche (6) nach Erreichen der gewünschten Umformung der dünnwandigen Seitenwandung ( 2 ) des Körpers (3) abgekühlt werden.
9. Vorrichtung zur Durchführung deε Verfahrenε nach einem der Ansprüche 1 biε 8, mit: einer Geometrieerfaεεungseinheit ( 4 ) zum automatisierten Erfassen der Ist-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung ( 2 ) des Körpers (3) in einem elektronischen Datenmodell; einem elektronischen Rechner (5) zum Vorgeben der Soll- Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung (2) des Körpers (3) in einem elektronischen Datenmodell, zum Berechnen der Soll-Ist- Abweichung aus dem Vergleich der erfaßten Ist-Geometrie mit der vorgegebenen Soll-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung (2) des Körpers (3), zum Ermitteln von lokalen Umformungsbereichen (6) in denen die Soll-Ist-Abweichung einen vorgegebenen Grenz- wert übersteigt und zum Berechnen eines ortεabhängig einzubringenden Energieprofilε in den lokalen Umformungsbereichen (6); einer regelbaren Druckvorrichtung (26) zum Beaufschlagen einer Seite der dünnwandigen Seitenwandung (2) des Körpers (3) mit definiertem Druck; und einer Vorrichtung (11) zum definierten automatiεierten Erhöhen der Umformbarkeit der dünnwandigen Seitenwandung (2) des Körpers (3) in den lokalen Umformungsbereichen (6) durch definierte Energiezufuhr in den lokalen Umformungsbereichen (6) gemäß dem berechneten ortsabhängigen Energieprofil, wobei die dünnwandige Seitenwandung (2) deε Körpers (3) in den lokalen Umformungsbereichen (6) aufgrund ihrer definiert erhöhten Umformbarkeit und der einseitigen Druckbeaufschlagung umgeformt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvorrichtung (26) eine Druckluftvorrichtung (10) und die Vorrichtung (11) zum definierten Erhöhen der Umformbarkeit ein Laser (12) iεt.
11. Vorrichtung nach Anεpruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfaεεen der Ist-Geometrie der dünnwandigen Seitenwandung (2) des Körpers (3) ein 3D-Objektvermessungssystem (13) vorgesehen ist.
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