WO2013135572A1 - Verfahren zum herstellen eines faser-metall-verbundwerkstücks, werkzeugmaschine und computerprogrammprodukt - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines faser-metall-verbundwerkstücks, werkzeugmaschine und computerprogrammprodukt Download PDF

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WO2013135572A1
WO2013135572A1 PCT/EP2013/054711 EP2013054711W WO2013135572A1 WO 2013135572 A1 WO2013135572 A1 WO 2013135572A1 EP 2013054711 W EP2013054711 W EP 2013054711W WO 2013135572 A1 WO2013135572 A1 WO 2013135572A1
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fiber mat
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Bernd Renz
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Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg
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    • Y10T29/53961—Means to assemble or disassemble with work-holder for assembly

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a fiber-metal composite workpiece on a machine tool, a machine tool for producing fiber-metal composite parts and an associated computer program product.
  • a metallic workpiece may be reinforced at selected locations with fibers.
  • DE 697 25 418 T2 discloses a method in which a workpiece is provided with a groove into which a preform made of fibers and a deposition metal previously produced is introduced. Subsequent isothermal forging welds the preform to the workpiece.
  • a method for producing a fiber-metal composite workpiece on a machine tool comprising the steps of: loading a workpiece support of the machine tool with a metallic, preferably plate-shaped workpiece, in particular with a metal sheet; Processing the resting on the workpiece support workpiece by means of a processing device for generating deformations on the workpiece; Attaching a fiber fabric to the resting on the workpiece support workpiece in the region of the transformations; and force and / or positive connection of the fiber fabric with the workpiece by machining the workpiece by means of the processing device, preferably in the region of the transformations.
  • the workpiece is plastically deformed by means of the machining device.
  • the transformations are three-dimensional changes in the shape of the workpiece which are suitable for producing a non-positive and / or positive connection with a fiber layer, i.
  • the deformations should typically protrude beyond the workpiece plane in a plate-shaped workpiece or protrude from this.
  • the attachment of the fiber fabric to the workpiece preferably takes place in a form-fitting manner or in such a way that the fiber layer can be displaced together with the workpiece in the working plane after installation, without causing a relative movement between the workpiece and the fiber layer.
  • previously formed there formations can be used, where the fiber fabric can be attached, for example by the transformations are wrapped with fiber rovings.
  • the fiber fabric can be attached, for example by the transformations are wrapped with fiber rovings.
  • provided on a fiber mat recesses with the Forming be brought into engagement and / or the geometry of the fiber mat are adapted so that it fits positively between the transformations.
  • the non-positive and / or positive connection of the fiber fabric to the workpiece by a direct power transmission between the fiber fabric and the metallic workpiece, in particular by a deforming processing of the workpiece to the transformations, so that can be dispensed with a thermal treatment (welding).
  • the non-positive and / or positive connection can in this case take place on that machine tool which is also used to produce the deformations in the workpiece, so that a transfer of the workpiece between the forming machining of the workpiece and the connection process between the workpiece and fiber layer is not required ,
  • the inventive method thus enables automated production of a fiber-metal composite workpiece in a single operation, so that by means of the method according to the invention fiber-metal composite workpieces can be produced in an economical and highly resilient manner.
  • a stamped machining of the workpiece for generating the deformations before and / or during non-positive and / or positive connection of the Fasergeleges with the workpiece.
  • transformations e.g. In the form of passages (round recesses whose edges are still formed at the top or bottom), beads (channel-shaped depressions), gills (beads with opening), etc. are generated. It is understood that the enumeration given here is not exhaustive, i. E. Other than the listed here types of transformations can be used to produce a positive and / or positive connection between the workpiece and the fiber fabric.
  • the machining device can also be designed, if necessary, as an alternative or in addition to a stamped machining operation for producing the positive and / or positive connection, another type of forming machining, e.g. by bending editing, to enable.
  • the step of applying the fiber fabric comprises feeding at least a portion of the fiber fabric in the form of a fiber mat to the resting on the workpiece support workpiece.
  • the fiber mat can be cut out, for example, from a fiber fabric or produced in embroidery technology. In the latter case, it may be produced on a textile machine act two-dimensional fiber fabric, in which fiber rovings are placed on a substrate and stitched eg by zigzag stitches on the embroidery ground.
  • the shape and size of the fiber mat is in this case typically designed or this is tailored so that no additional (cutting) processing must be made to form the composite workpiece, ie the blank of the fiber mat typically corresponds to the final shape, as in the composite workpiece is being used.
  • the positioning of the fiber mat on the workpiece preferably takes place such that at least one deformation of the workpiece is brought into engagement with at least one recess formed on the fiber mat.
  • the fiber mat is fixed to the workpiece and can be moved in the working plane (X / Y direction) together with the workpiece, without slipping. This is beneficial for subsequent (forming) machining to make a permanent bond between the workpiece and fiber web, since the workpiece must typically be displaced in the working plane to make the permanent connection to allow reshaping of the deformations.
  • the slippage of the workpiece can possibly also be avoided if the fiber mat has no recesses or openings, but an outer edge whose shape and size is adapted to the contour of a region on the workpiece, which is limited by several transformations. Also in this case, a positive connection or fixation can take place, which allows a joint movement of the workpiece and fiber layer. It is also possible, prior to attaching the fiber fabric to the workpiece, to make pointed deformations, e.g. in the form of prongs to provide, which pierce through the attachment of the fiber fabric through this, thus preventing mutual slippage. During subsequent joining or forming machining these tines can be bent and pressed flat, the fibers are clamped and creates a positive connection.
  • the step of applying the fiber fabric may include forming at least a portion of the fiber fabric by wrapping at least a portion of the work fiber deformations with fiber strands, hereinafter also referred to as fiber rovings.
  • the workpiece in this case remains on the workpiece support and is typically moved relative to a (usually stationary) application device in the workpiece plane, with a fastening of the fiber strands on the workpiece or a wrapping of the transformations takes place.
  • the application device or the supply of the fiber strands in the vicinity of the processing device.
  • a deformation can be generated and the deformation can be wrapped directly with the fiber strands before the position of the workpiece is changed on the workpiece support, to produce again elsewhere in a deformation.
  • the application device or the transport device for the fiber strands can possibly also be moved over the workpiece support in order to wrap around deformations at different points of the workpiece with the fiber strands.
  • the fiber strands are preferably supplied to the workpiece located on the workpiece support by transport from a magazine, for example by unwinding from a coil.
  • the transport comprises a feed movement of the fiber strands from the magazine, which can be realized by means of a drive, e.g. by means of a motor for unwinding the spool.
  • a drive can also be dispensed with, since the fiber strand is automatically drawn by the winding movement.
  • the fiber strands transported to the workpiece can be attached to the workpiece by means of an application device in the area of the deformations, or these can be wrapped with the aid of the application device.
  • the application device may be designed in the manner of a embroidery device and a tool e.g.
  • the application device may also include a separator, e.g. a cutting blade, in order to separate after wrapping the transformations the fiber strand.
  • the end of the fiber strand attached to the formations may also be e.g. be clamped by means of a needle-like tool on the workpiece.
  • the wrapping of the deformations of the workpiece takes place by displacing the workpiece relative to the (usually stationary) processing device.
  • This displacement preferably takes place with the aid of devices of the machine tool, which are used to move the workpiece relative to the processing devices (eg the machining heads) Serve machine tool.
  • These devices are generally designed as linear drives, by means of which the workpiece can be moved together with the workpiece support and / or relative to the workpiece support in order to position the workpiece suitable for machining in a machining plane (XY plane).
  • the means for moving the workpiece are thus used not only for positioning the workpiece relative to the processing device (s) of the machine tool, but also for winding the fiber strands fed to the workpiece around the deformations.
  • first or all deformations may be formed on the workpiece and wrapped in a subsequent step, or first forming and wrapping a workpiece at a position of the workpiece before the workpiece is moved relative to the processing device to make a deformation and to wrap it in another position, etc.
  • the non-positive and / or positive connection of the fiber insert with the workpiece preferably comprises a deformation of the deformations generated on the workpiece.
  • the deformation of the deformations causes, for example when using a fiber mat, that the transformations engage over the recesses in the fiber mat or clamp the fiber mat, so that the fiber mat can no longer be separated from the workpiece without damage and thus the fiber mat whose recesses previously engaged were brought to the deformations on the workpiece is permanently fixed (joining by forming).
  • the fiber mat and / or the fiber layer formed by wrapping the deformations can be clamped by the forming machining on the deformations with the workpiece.
  • a preferred variant of the method comprises applying at least one plate-shaped cover, in particular a cover plate, to the fiber fabric attached to the workpiece, wherein the non-positive and / or positive connection of the fiber fabric with the workpiece includes pinching the Fasergeleges between the workpiece and the cover ,
  • the jamming of the fiber fabric between the workpiece and the cover can be realized by deforming processing, for example by means of a stamping process.
  • the cover can be a metallic material (cover plate), but it may also be possible to use plastic materials as a cover, which withstand the forces generated during the deformation or when pinching.
  • the clamping of the fiber fabric can be done by a permanent joining (joining) of the workpiece with the fiber fabric and the cover, for example.
  • non-positive and / or positive direct connection between the workpiece and the fiber fabric can be made by one or more of the above-described types of forming processing and / or by other, not described types of forming processing.
  • the workpiece is usually made larger and shaped differently (usually rectangular) than the component, which is to be used finally as a fiber-metal composite workpiece.
  • the fiber-metal composite workpiece can therefore be separated or cut free from the remainder of the workpiece.
  • the method therefore comprises, in a preferred variant, a separating machining of the workpiece for separating or free cutting of the fiber-metal composite workpiece from the remainder workpiece.
  • the separation of the fiber-metal composite from the remainder of the workpiece can be accomplished by means of a punching head, e.g. by nibbling, or by cutting processing, for example by laser cutting using a laser processing head.
  • the subject invention also includes a computer program product encoded on one or more computer storage media and having instructions that, when executed by one or more computers, cause the one or more computers to perform operations that include: comprising: loading a workpiece support of the machine tool with a metallic workpiece, in particular with a metal sheet; Processing the resting on the workpiece support workpiece by means of a processing device for generating deformations on the workpiece; Attaching a fiber fabric to the resting on the workpiece support workpiece in the region of the transformations; and force and / or positive connection of the fiber fabric to the workpiece by machining the workpiece by means of the processing device.
  • the one or The plurality of computers can in particular be integrated in a control device of the machine tool or designed as a control device of the machine tool. It is understood that the variants of the method described above can also be carried out with the aid of such a computer program.
  • the invention also relates to a machine tool for the production of fiber-metal composite workpieces, comprising: a processing device for the forming processing of workpieces, a workpiece support for supporting a workpiece during processing, and at least one device for attaching a fiber fabric to the resting on the workpiece support workpiece ,
  • the machine tool may, for example, be a punching machine with a (possibly interchangeable) punching head as a processing device, or a punch-laser combination machine with a punching and a laser processing head.
  • the device for attaching a fiber fabric for automated supply of a fiber mat to the workpiece resting on the workpiece support and for positioning the fiber mat is formed on the workpiece.
  • the thus formed means for attaching a fiber fabric can be integrated into a loading device for feeding the (metallic) workpieces to the workpiece support or designed as a separate unit.
  • the loading device may for example comprise a plurality of plate-shaped vacuum suction or a (programmable) field of vacuum suckers, which suck a metallic workpiece by a vacuum or take to transport the workpiece from a loading position on the workpiece support and order To transport processed workpiece parts from the workpiece support.
  • Such a loading and unloading device is sold, for example, under the name "SheetMaster®" by the Applicant
  • vacuum suction devices used in the conventional manner are unsuitable for gripping or sucking in the fiberglass laminate, but vacuum can be used to aspirate the fiber fabric -Sauger serve, which are equipped on their side facing the fiber fabric with an air-permeable component, for example in the form of an open-cell foam or a screen, which serves as a contact surface for the Fasergeiege and prevents suction of the fiber fabric or parts thereof in the vacuum cleaner
  • an air-permeable component for example in the form of an open-cell foam or a screen, which serves as a contact surface for the Fasergeiege and prevents suction of the fiber fabric or parts thereof in the vacuum cleaner
  • the vacuum pads for gripping the fiber web can be placed in common with vacuum pads for gripping the workpiece in a common field of vacuum pads.
  • the machine tool usually has a control device which is designed or programmed to control the means for attaching the fiber fabric so that the fiber mat positioned at the desired location on the workpiece becomes.
  • the control can take place in such a way that the recesses or openings possibly provided on the fiber mat come into engagement with the deformations on the workpiece during positioning or generally such that a form-fitting attachment of the fiber mat to or between the deformations can be produced.
  • a device for the automated feeding of fiber strands to the workpiece resting on the workpiece support can also be provided on the machine tool.
  • This device for the automated feeding of fiber strands or fiber rovings can have a magazine for storing fiber strands, for example a coil.
  • the device designed for automated feeding of fiber strands preferably comprises an application device for fastening a respective fiber strand to the workpiece resting on the workpiece support and for wrapping the deformations formed on the workpiece or for fastening the fiber strands to the deformations, which are designed as described above can.
  • the application or the supply can be carried out, in particular, adjacent to the processing device, in order, if appropriate, to wrap around the forming material formed immediately after the reshaping of the workpiece.
  • the application device has a gripping device for gripping the fiber strands and / or a separating device for severing the fiber strands.
  • a through the application device in the vicinity of the surface of the workpiece brought fiber strand are gripped to fix the fiber strand to the workpiece.
  • a deformation for example, in the form of a fastening gap can be formed on the workpiece, in which the fiber strand is clamped by means of the gripping device or to which the fiber strand is threaded.
  • the gripping device is preferably designed to be rotatable, so that the gripping device or a gripping element attached thereto, for example a gripping notch, can be rotated from a position spaced from the fiber strand into a gripping position.
  • the fiber strand can then be gripped by the gripping device and fixed by further rotation of the gripping device on the workpiece, for example by threading or pinching in the mounting gap.
  • the gripping device simultaneously serves as a separating device.
  • the gripping device can be equipped with a cutting edge, by means of which the fiber strand is severed.
  • the cutting edge can be provided, for example, on a side opposite the gripping element, so that the fiber strand can be severed when the gripping device is rotated counter to the gripping direction.
  • the machine tool has a processing device for laser cutting of workpieces.
  • the processing device can be advantageously used for precise and rapid parting of the workpiece, in particular for free cutting of the fiber-metal composite workpiece from the remainder workpiece and / or for cutting contours on the metallic workpiece in the area in which the fiber webs are subsequently applied should.
  • the invention is also embodied in a computer program product having code means for creating a machining program adapted to perform all the steps of the method described above (including the variants of the method described above) when the machining program runs on a control device of the machine tool. Further advantages of the invention will become apparent from the description and the figures. Likewise, the features mentioned above and those listed in more detail may be used individually or in any combination Find.
  • the embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of a machine tool according to the invention with a device for applying fiber mats to a workpiece and means for feeding fiber strands to the workpiece.
  • Fig. 2 is a perspective view of a workpiece with transformations to
  • FIG. 3 is a perspective view of the workpiece with a in the region of
  • FIG. 4 shows a perspective view of the workpiece with the fiber mat applied and a cover plate
  • FIG. 6a, b are sectional views of a portion of the workpiece without cover before or after joining;
  • Fig. 7 is a perspective view of a fiber-metal composite after separation from a remainder workpiece;
  • 9a-d are side sectional views and corresponding plan views of a portion of an application device during various phases of the application process of the fiber roving.
  • FIG. 1 shows a machine tool 1 designed as a laser punching combination machine, which is used as a processing tool for the forming (and possibly the separating) Processing a plate-shaped workpiece 2 in the form of a sheet has a conventional punching head 3 with punch 3a and a laser processing head 4 for the separating processing.
  • the workpiece 2 to be machined supports during workpiece machining on a workpiece support 5 in the form of a machining table.
  • a conventional holding device 6, which has clamps 7 for holding the workpiece 2 the workpiece 2 can be opposite the punch 3 a and the laser processing head 4 in the X direction of the workpiece plane (XY plane of an XYZ coordinate system) by means of a double arrow indicated Linear actuator 8a are moved.
  • the workpiece 2 In the Y-direction of the workpiece plane, the workpiece 2 can be moved by the workpiece support 5 is moved together with the holding device 6 by means of another indicated by a double arrow conventional linear actuator 8b.
  • the workpiece 2 can be moved in this way in the X and Y directions relative to the punch 3a and the laser processing head 4, so that the respectively to be machined portion of the workpiece 2 in a stationary processing area 10 of the punch 3a and a fixed processing area 11 of Laser processing head 4 can be positioned.
  • a (replaceable) punching die 12 is positioned, which has an opening 12a for engagement with the (also replaceable) punch 3a.
  • a laser die 13 is arranged, which serves as an opening limit for a substantially circular suction opening 13 a in the workpiece support 5.
  • Fiber-metal composite workpieces can be produced on the machine tool 1 shown in FIG.
  • a control device 21 is provided on the machine tool 1.
  • the control device 21 accesses an NC control program (machining program) whose control commands during machining be processed.
  • the NC control program controls the machine tool 1 or its components in such a way that all steps required for the production of a fiber-metal composite workpiece can be made.
  • the processing program itself or a corresponding computer program product 21a is coded on one or more computer storage media and has instructions which, when executed by one or more computers, are typically integrated into the controller 21 or with it in signal communication, causing the one or more computers to perform the steps or operations necessary to produce a fiber-metal composite.
  • the workpiece 2 After feeding the workpiece 2 to the workpiece support 5 by means of a transport device not shown and the lateral clamping by means of the holding device 6, the workpiece 2 is first machined by means of the laser processing head 4, by cutting three annular segments from the workpiece 2, wherein three webs remain, which form the spokes of the wheel (see Fig. 2). Also holes 4, 25 are cut out of the workpiece 2 by means of the laser processing head 4, which serve as force introduction points on the outer or on the inner circumference of the fiber-metal composite workpiece to be produced.
  • the workpiece 2 is provided with deformations 15, i. Selected areas of the workpiece 2 are deformed by means of the punching head 3 and the punch 3a, so that the deformed areas protrude from the workpiece plane (three-dimensional plastic deformation).
  • the punch 3a may be changed if necessary. In the example shown in FIG. 2, deformations in the form of collar-shaped passages are produced, which are suitable for producing a non-positive and / or positive connection with a fiber fabric.
  • a fiber fabric is applied to the workpiece 2.
  • the application takes place in the present example by positioning a prefabricated fiber mat 16 on the workpiece 2, that is, the fiber mat 16 already has the shape and size required for the composite workpiece.
  • the fiber mat 16 is in this case via a device 17 for automated feeding of fiber mats 16 fed to the workpiece 2 (see Fig. 1) and positioned on the workpiece 2 such that the deformations 15 in recesses 9 (holes) in the fiber mat 16 engage (see Fig. 3).
  • the fiber mat 16 is held on the workpiece 2 in the working plane (XY plane), so that the fiber mat 16 moves together with the workpiece 2 during a subsequent movement of the workpiece 2 in the working plane can be without them slipping. Slippage can also be prevented if pointed, for example prong-shaped, deformations are produced on the workpiece 2, which pierce through the fiber mat 16 when it is laid on, and thus cause a fixation of the fiber mat 16 on the workpiece 2.
  • the device 17 for feeding comprises a conveyor belt 7a, which conveys the fiber mat 16 to the resting on the workpiece support 5 workpiece 2, and a further linear drive 8c for moving the conveyor belt 17a in the X direction.
  • a suitable positioning of the fiber mat 16 in the Y direction can be determined by the choice of the position of the fiber mat 16 on the conveyor belt 17a and / or the conveyor belt 17a can be moved in the Y direction by means of another (not shown) linear drive.
  • the deposit of the fiber mat 16 on the conveyor belt 17a may e.g. by means of a gripper (not shown) or the like.
  • the device 17 for the automated feeding of fiber mats can also be embodied differently than shown in FIG.
  • a direct deposition of the fiber mat 16 on the workpiece 2 by means of one or more gripping means take place, which may be attached, for example, to a suitably modified transport means 17b for positioning the workpiece 2 on the workpiece support 5.
  • the gripping devices can be formed in, for example, as a vacuum suction cup 17 c, which are suitable for gripping the non-rigid fiber mat 16.
  • the fiber mat 16 can serve as gripping means for the fiber mat 16 (large area) suction pads 17c, on their fiber mat 16 side facing an air-permeable member 17d, for example in the form of a (planar) screen or an air-permeable layer of an open-cell material, for example of foam can, through which the suction takes place.
  • an air-permeable member 17d for example in the form of a (planar) screen or an air-permeable layer of an open-cell material, for example of foam can, through which the suction takes place.
  • the conveyor belt 17a can serve for feeding fiber mats 16 to a transfer position in the region of the transport device 17b, to which the transport device receives a respective fiber mat 16.
  • the control device 21 serves to control the device 17 (of the conveyor belt 17a or of the linear drive 8c and / or the transport device 17b) as well as for coordination with a possibly required for the positionally accurate placement of the workpiece 2 by means of the linear drives 8a, 8b.
  • a fiber strand 18a (also: fiber roving) is automatically fed by means of a further feed device 18 in the region of the punching head 3 and the associated processing region 10 and wound there around the previously generated deformations 15.
  • a fiber strand 18a is unwound from a magazine in the form of a bobbin 18b, which is attached to the C-shaped machine frame of the machine tool 1.
  • the spool 18b may optionally be provided with a drive (not shown) for conveying fiber strands 18a.
  • the transport of the fiber strands 18a or the storage of the fiber strands 18a can also take place elsewhere in the machine tool 1.
  • the workpiece 2 is moved using the machine axes of the machine tool 2 relative to the device 18 such that the wrapping of the deformations 15 of the workpiece 2 due to the relative movement of the workpiece 2 relative to the exit end of the feeder 18 and a there provided application device 18c he follows.
  • the application device 18c also serves to fix a respective fiber strand 18a to the workpiece 2 before and after the wrapping of the deformations 15.
  • Fig. 8 shows such an application process.
  • the fiber strand 18a is fed to the workpiece 2 through the interior of a rohi-shaped yarn guide 18d.
  • a V-shaped gap 14 is provided, on which the protruding from the end of the thread guide 18 d end of the fiber strand 18 a can be fixed.
  • the wrapping of the deformations 15 with the fiber strand 18a can take place to form a fiber fabric.
  • the fiber strand 18a may be fixed to the same nip 14 or to another nip or forming.
  • FIGS. 9a-d shows how such a fixation of the fiber strand 18a can be realized.
  • the workpiece 2 is moved so that the thread guide 18 d is in a position adjacent to the gap 14.
  • the application device shown in FIGS. 9a-d comprises a gripping device 18e, which are moved along the thread guide 18d (perpendicular to the workpiece surface) and can be rotated about an axis 22 (perpendicular to the workpiece surface) (FIG. 9a).
  • the gripping device 18e For fixing the fiber strand 18a, the gripping device 18e is moved to a height below the end of the thread guide 18d and then rotated in a gripping direction about the axis 22, so that the fiber strand 18a in engagement with an eccentric to the axis 22 arranged gripping element in the form of a gripping groove 18f the gripping device 18e comes (Fig. 9b). By further rotation of the gripping device 18e in the gripping direction of the fiber strand 18a is pulled out of the yarn guide 18d and it forms a loop between yarn guide 18d and gripping device 18e. To thread the fiber strand 18a into the gap 14, the yarn guide 18d and the gripping device 18e are lowered onto the surface of the workpiece 2a (FIG. 9c) and the workpiece 2 is moved appropriately until the fiber strand 18a is clamped in the gap 14. A corresponding fixation can also be made after the completion of the Umwickeins to prevent the wound around the deformations 15 fiber strand 18a automatically dissolves.
  • the feed device 18, more precisely the application device 18c has a cutting device 18g in order to produce a respective fiber strand 18a after the fiber web has been produced or after being produced to cut through parts of the fiber fabric.
  • the cutter 18g may serve to sever the fiber strand 18a after being fixed, as shown in Fig. 9d.
  • the cutting device 18g is designed in the form of a cutting edge, which is provided on a side of the gripping device 18e opposite the gripping notch 18f.
  • the yarn guide 18d and the gripping device 18e can first be moved away from the surface of the workpiece 2 or from the fastening gap 14. During or after this movement, the gripping device 18e can be rotated counter to the gripping direction, wherein the fiber strand 18a comes into contact with the cutting edge 18g and is severed by this.
  • the feeder 18 is fixedly installed in the present example and may be similar to a wire feeder for welding or like the thread feeder in a textile machine, e.g. be executed in an embroidery machine. However, it is also possible to leave the workpiece 2 stationary and to move the fiber rovings 18a by means of moving parts of the feeding device 18, in particular the application device 18c, around the deformations 15. It is understood that in this case, if necessary, in addition, the workpiece 2 can be moved in the XY plane. It is further understood that when using fiber rovings 18a for the production of the fiber fabric, the production of deformations 15 does not have to take place in a first step and the application of the fiber fabric in a second step, as in FIGS. 2 and 3 is shown. Rather, if necessary, directly after the production of a respective deformation 15, these can be wrapped with a fiber roving 18a before the workpiece 2 is displaced so as to form a deformation at another point.
  • a fiber fabric 16 is produced, which can be moved together (ie without relative movement) with the workpiece 2 in the working plane, so that in a subsequent processing step in the area of the transformations 15 a positive and / or positive connection between the Workpiece 2 and the fiber fabric 16 made and thus a fiber-metal composite workpiece can be produced.
  • a prefabricated cover plate 20 placed on the fiber mat 16 and the fiber mat 16 between the two sheets 2, 20 are clamped (see Fig .. 4).
  • the mechanical clamping connection is preferably produced in the punching operation, for example by means of crimping, punch riveting or clinching, for which purpose the deformations 15 formed in the preceding step can be deformed.
  • FIGS. 5a, b show a section through a deformation 5 of the workpiece 2 equipped with the fiber mat 16 before or after the deformation of the deformations 5.
  • FIGS. 5a, b are bent with the help of the punching head 3, the collar formed as passages transformations 15 to the outside, so that a bead is formed, which overlaps provided on the cover plate 20 bevels or chamfers and fixed in this way the fiber mat 16.
  • FIGS. 6a, b show a section through a deformation 15 of the workpiece 2 equipped with the fiber mat 16, in which, in contrast to FIGS. 5a, b has been dispensed with a cover plate for producing the non-positive and / or positive connection.
  • the collars of the passages 15 are also bent outward in this case, so that they overlap the fiber mat 16.
  • the outwardly bent regions are formed claw-like in the present example to jam the fiber mat 16 and thus produce a positive and non-positive connection.
  • connection of the fiber mat 16 with the workpiece 2 can be done as described above in the region of the transformations 15, which also serve to fix the fiber mat 16 in the xy direction. In this way, a form-locking connection of the workpiece fiber-covering cover sheet sandwich is achieved. However, it is also possible, before or after placing the fiber mat 16 further transformations (not shown), for example outside the area in the workpiece 2, in which the fiber fabric 16 is applied or should be applied.
  • the connection between the workpiece 2 and the fiber mat 16 can additionally or exclusively be carried out by means of these further deformations which are preferably formed adjacent to the fiber mat 16 on the workpiece 2 and which after forming or deformation at least partially overlap the workpiece surface covered by the fiber mat 16.
  • the workpiece 2, the fiber mat 16 and any cover sheet may be formed together, for example in the form of a bead to produce a positive and positive connection in this way. It is understood that this with reference to FIGS. 5a, b and Figs. 6a, b shown procedure for non-positive and / or positive connection of fiber mat 16 and workpiece 2 can be applied analogously to the non-positive and / or positive connection of the workpiece 2 and a fiber rovings made fiber fabric. It is also understood that portions of the fiber fabric can be formed as fiber mats and other portions in the form of fiber rovings.
  • the fiber-metal composite is cut out of the workpiece 2 along a cutting contour 19 in a final processing step. This can be done by laser cutting through the laser processing head 4 or possibly by nibbling with the aid of the punching head 3.
  • the finished fiber-metal composite workpiece 23 (see Fig. 7) can then be discharged from the machine tool 1 by means of a transport device, not shown pictorially. Although the possibility of free cutting or separating the fiber-metal composite workpiece 23 from the remainder of the workpiece directly to the machine tool 1 is favorable, this processing step may possibly be made elsewhere. This is possibly favorable if the above-described production process does not take place as shown in FIG.
  • Fiber-metal composites 23 produced in the manner described above may be used in further processing steps, e.g. formed by bending three-dimensionally and then in a tool e.g. Resin Transfer Molding (RTM) process is infiltrated with resin or overmoulded with a thermoplastic material.
  • RTM Resin Transfer Molding
  • the composite is realized by a direct power transmission between the sheet and fibers by force and / or positive connection.
  • Both the machining of the metallic workpiece and the connection of the workpiece with the fiber fabric can be carried out in one and the same machine tool, ie the cutting of the sheet metal part, the connection of the workpiece with the fiber fabric and possibly also the production of the Fasergeleges can be done in a single operation and thus fiber-metal composite workpieces are produced in a particularly economical manner.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faser-Metall- Verbundwerkstücks auf einer Werkzeugmaschine (1), umfassend die Schritte: Beladen einer Werkstückauflage (5) der Werkzeugmaschine (1) mit einem metallischen Werkstück (2); Bearbeiten des auf der Werkstückauflage (5) aufliegenden Werkstücks (2) mittels einer Bearbeitungseinrichtung (3, 3a) zum Erzeugen von Umformungen (15) an dem Werkstück (2); Anbringen eines Fasergeleges (16) an dem auf der Werkstückauflage (5) aufliegenden Werkstück (2) im Bereich der Umformungen (15); sowie Kraft- und/oder formschlüssiges Verbinden des Fasergeleges (16) mit dem Werkstück (2) durch Bearbeiten des Werkstücks (2) mittels der Bearbeitungseinrichtung (3, 3a). Die Erfindung betrifft auch eine Werkzeugmaschine (1), umfassend: eine Bearbeitungseinrichtung (3,3a) zur umformenden Bearbeitung von Werkstücken (2), eine Werkstückauflage (5) zur Auflage eines Werkstücks (2) bei der Bearbeitung, sowie eine Einrichtung (17, 18) zum Anbringen eines Fasergeleges (16) an dem auf der Werkstückauflage (5) aufliegenden Werkstück (2). Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt (21a).

Description

Verfahren zum Herstellen eines Faser-Metall-Verbundwerkstücks,
Werkzeugmaschine und Computerprogrammprodukt
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faser-Metall- Verbundwerkstücks auf einer Werkzeugmaschine, eine Werkzeugmaschine zur Herstellung von Faser-Metall-Verbundwerkstücken sowie ein zugehöriges Computerprogrammprodukt. An leichtbauenden Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen besteht häufig die Notwendigkeit, Metallteile als Krafteinleitungsstellen bzw. als Schnittstellen zu metallischen Bauteilen zu integrieren. Zur Herstellung von solchen Faser-Metall- Verbundwerkstücken bzw. -bauteilen kann ein metallisches Werkstück an ausgewählten Stellen mit Fasern verstärkt werden. Die DE 697 25 418 T2 offenbart ein Verfahren, bei dem ein Werkstück mit einer Nut versehen wird, in die eine zuvor hergestellte Vorform aus Fasern und ein Auftragsmetall eingebracht wird. Durch anschließendes Isothermschmieden wird die Vorform mit dem Werkstück verschweißt.
Aus der EP 1 533 393 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Metall- Verbundwerkstücks bekannt geworden, bei dem eine Faser- Vorform, die in einer Kassette untergebracht ist, sowie ein Füllmetall in einer Ringnut zwischen zwei Metallwerkstücken platziert wird. Die metallischen Werkstücke werden mit der Faser- Vorform und dem Füllmetall durch Hitze- und Druckbeaufschlagung bzw. durch Diffusionsverschweißung verbunden. In beiden Fällen erfolgt die Verbindung des Fasergeleges mit dem Metallwerkstück durch eine thermische Behandlung (Schweißen) bzw. über Adhäsion der Metall- Matrix. Diese Verfahren sind daher mit hohem Aufwand verbunden und benötigen einen vergleichsweise großen Anteil an manuellen Arbeitsgängen.
Aufgabe der Erfindung Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass der Aufwand bei der Herstellung von Faser-Metall-Verbundwerkstücken und insbesondere die Anzahl an manuellen Eingriffen in den Prozess reduziert werden kann.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Faser-Metall-Verbundwerkstücks auf einer Werkzeugmaschine, umfassend die Schritte: Beladen einer Werkstückauflage der Werkzeugmaschine mit einem metallischen, bevorzugt plattenförmigen Werkstück, insbesondere mit einer Blechtafel; Bearbeiten des auf der Werkstückauflage aufliegenden Werkstücks mittels einer Bearbeitungseinrichtung zum Erzeugen von Umformungen an dem Werkstück; Anbringen eines Fasergeleges an dem auf der Werkstückauflage aufliegenden Werkstück im Bereich der Umformungen; sowie Kraft- und/oder formschlüssiges Verbinden des Fasergeleges mit dem Werkstück durch Bearbeiten des Werkstücks mittels der Bearbeitungseinrichtung, bevorzugt im Bereich der Umformungen.
Zum Erzeugen der Umformungen wird das Werkstück mittels der Bearbeitungseinrichtung plastisch verformt. Bei den Umformungen handelt es sich um dreidimensionale Änderungen der Gestalt des Werkstücks, die zur Herstellung einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung mit einem Fasergelege geeignet sind, d.h. die Umformungen sollten bei einem plattenförmigen Werkstück typischer Weise über die Werkstückebene überstehen bzw. aus dieser herausragen.
Das Anbringen des Fasergeleges an dem Werkstück erfolgt bevorzugt formschlüssig bzw. derart, dass das Fasergelege nach dem Anbringen gemeinsam mit dem Werkstück in der Bearbeitungsebene verschoben werden kann, ohne dass es zu einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Fasergelege kommt. Um das Fasergelege beim Anbringen am Werkstück zu fixieren, können vorher dort gebildete Umformungen genutzt werden, an denen das Fasergelege befestigt werden kann, z.B. indem die Umformungen mit Faser-Rovings umwickelt werden. Alternativ können auch an einer Fasermatte vorgesehene Ausnehmungen mit den Umformungen in Eingriff gebracht werden und/oder die Geometrie der Fasermatte so angepasst werden, dass diese formschlüssig zwischen die Umformungen passt.
Die kraft- und/oder formschlüssige Verbindung des Fasergeleges mit dem Werkstück erfolgt durch eine direkte Kraftübertragung zwischen dem Fasergelege und dem metallischen Werkstück, insbesondere durch ein verformendes Bearbeiten des Werkstücks an den Umformungen, so dass auf eine thermische Behandlung (Schweißen) verzichtet werden kann. Die kraft- und/oder formschlüssige Verbindung kann hierbei an derjenigen Werkzeugmaschine erfolgen, die auch zur Erzeugung der Umformungen im Werkstück verwendet wird, so dass ein Transfer des Werkstücks zwischen der umformenden Bearbeitung des Werkstücks und dem Verbindungs- prozess zwischen Werkstück und Fasergelege nicht erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine automatisierte Herstellung eines Faser-Metall-Verbundwerkstücks in einem einzigen Arbeitsgang, so dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Faser-Metall-Verbundwerkstücke in wirtschaftlicher und hochbelastbarer Weise hergestellt werden können.
Vorzugsweise erfolgt bei dem Verfahren ein stanzendes Bearbeiten des Werkstücks zum Erzeugen der Umformungen vor und/oder beim kraft- und/oder formschlüssigen Verbinden des Fasergeleges mit dem Werkstück. Durch den Stanzprozess können Umformungen z.B. in Form von Durchzügen (runde Ausnehmungen, deren Ränder noch oben oder unten umgeformt sind), Sicken (rinnenförmige Vertiefungen), Kiemen (Sicken mit Öffnung) etc. erzeugt werden. Es versteht sich, das die hier gegebene Aufzählung keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt, d.h. auch andere als die hier aufgezählten Arten von Umformungen können genutzt werden, um eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Werkstück und dem Fasergelege herzustellen. Auch kann die Bearbeitungseinrichtung ggf. ausgebildet sein, alternativ oder zusätzlich zu einer stanzenden Bearbeitung zur Herstellung der kraft- und oder formschlüssigen Verbindung eine andere Art der umformenden Bearbeitung, z.B. durch biegendes Bearbeiten, zu ermöglichen.
Bei einer Variante umfasst der Schritt des Anbringens des Fasergeleges ein Zuführen zumindest eines Teils des Fasergeleges in Form einer Fasermatte zu dem auf der Werkstückauflage aufliegenden Werkstück. Die Fasermatte kann bspw. aus einem Fasergewebe ausgeschnitten oder in Sticktechnik hergestellt sein. Im letzteren Fall kann es sich um ein auf einer Textilmaschine erzeugtes zweidimensionales Fasergelege handeln, bei dem Faser-Rovings auf einen Stickgrund aufgelegt und z.B. durch Zickzack-Stiche an dem Stickgrund befestigt werden. Die Form und Größe der Fasermatte ist hierbei typischer Weise so ausgebildet bzw. diese ist derart zugeschnitten, dass zur Bildung des Verbundwerkstücks keine zusätzliche (schneidende) Bearbeitung vorgenommen werden muss, d.h. der Zuschnitt der Fasermatte entspricht typischer Weise der Endform, wie er in dem Verbundwerkstück genutzt wird.
Vorzugsweise erfolgt das Positionieren der Fasermatte auf dem Werkstück derart, dass mindestens eine Umformung des Werkstücks in Eingriff mit mindestens einer an der Fasermatte gebildeten Ausnehmung gebracht wird. Auf diese Weise wird die Fasermatte am Werkstück fixiert und kann in der Bearbeitungsebene (X/Y-Richtung) gemeinsam mit dem Werkstück verschoben werden, ohne hierbei zu verrutschen. Dies ist für das nachfolgende (umformende) Bearbeiten zum Herstellen einer dauerhaften Verbindung zwischen Werkstück und Fasergelege günstig, da das Werkstück zur Herstellung der dauerhaften Verbindung typischer Weise in der Bearbeitungsebene verschoben werden muss, um ein umformendes Bearbeiten an den Umformungen zu ermöglichen. Das Verrutschen des Werkstücks kann ggf. auch vermieden werden, wenn die Fasermatte keine Ausnehmungen bzw. Durchbrüche, dafür aber einen Außenrand aufweist, dessen Form und Größe an die Kontur eines Bereichs auf dem Werkstück angepasst ist, der von mehreren Umformungen begrenzt wird. Auch in diesem Fall kann eine formschlüssige Verbindung bzw. Fixierung erfolgen, die eine gemeinsame Bewegung von Werkstück und Fasergelege ermöglicht. Auch ist es möglich, vor dem Anbringen des Fasergeleges an dem Werkstück spitze Umformungen, z.B. in Form von Zinken, vorzusehen, die beim Anbringen des Fasergeleges durch dieses hindurch stechen und so ein gegenseitiges Verrutschen unterbinden. Beim nachfolgenden Fügen bzw. umformenden Bearbeiten können diese Zinken umgebogen und flach gedrückt werden, wobei die Fasern geklemmt werden und eine kraftschlüssige Verbindung entsteht.
Alternativ oder zusätzlich kann der Schritt des Anbringens des Fasergeleges das Erzeugen zumindest eines Teils des Fasergeleges durch Umwickeln zumindest eines Teils der Umformungen des Werkstücks mit Fasersträngen umfassen, die im Folgenden auch gelegentlich als Faser-Rovings bezeichnet werden. Das Werkstück verbleibt hierbei auf der Werkstückauflage und wird typischer Weise relativ zu einer (in der Regel ortsfesten) Applikationseinrichtung in der Werkstückebene verschoben, mit der eine Befestigung der Faserstränge am Werkstück bzw. ein Umwickeln der Umformungen erfolgt.
Es ist günstig, die Applikationseinrichtung bzw. die Zuführung der Faserstränge in der Nähe der Bearbeitungseinrichtung vorzunehmen. In diesem Fall kann eine Umformung erzeugt und die Umformung direkt mit den Fasersträngen umwickelt werden, bevor die Position des Werkstücks auf der Werkstückauflage geändert wird, um an anderer Stelle erneut eine Umformung zu erzeugen. Es versteht sich, dass die Applikationseinrichtung bzw. die Transporteinrichtung für die Faserstränge ggf. auch über die Werkstückauflage bewegt werden kann, um Umformungen an unterschied- liehen Stellen des Werkstücks mit den Fasersträngen zu umwickeln.
Die Faserstränge werden dem auf der Werkstückauflage befindlichen Werkstück vorzugsweise durch Transport aus einem Magazin, beispielsweise durch Abwickeln von einer Spule, zugeführt. Der Transport umfasst eine Vorschubbewegung der Faserstränge aus dem Magazin, die mittels eines Antriebs realisiert werden kann, z.B. mittels eines Motors zum Abwickeln der Spule. Gegebenenfalls kann auf einen Antrieb auch verzichtet werden, da der Faserstrang durch die Wickelbewegung automatisch nachgezogen wird. Die zum Werkstück transportierten Faserstränge können mittels einer Applikationseinrichtung im Bereich der Umformungen am Werkstück angebracht werden bzw. diese können mit Hilfe der Applikationseinrichtung umwickelt werden. Die Applikationseinrichtung kann in der Art einer Stickeinrichtung ausgebildet sein und ein Werkzeug z.B. in der Art einer Nadel aufweisen, um eine freies Ende eines Faserstrangs beim Beginn des Umwickeins am Werkstück zu befestigen bzw. dort festzuklemmen. Die Applikationseinrichtung kann auch eine Trenneinrichtung, z.B. ein Schneidmesser, aufweisen, um nach dem Umwickeln der Umformungen den Faserstrang abzutrennen. Das Ende des an den Umformungen angebrachten Faserstrangs kann ebenfalls z.B. mittels eines nadelartigen Werkzeugs an dem Werkstück festgeklemmt werden.
Bei einer Weiterbildung dieser Variante erfolgt das Umwickeln der Umformungen des Werkstücks durch Verschieben des Werkstücks relativ zur (in der Regel ortsfesten) Bearbeitungseinrichtung. Dieses Verschieben erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Einrichtungen der Werkzeugmaschine, die zum Verschieben des Werkstücks gegenüber den Bearbeitungseinrichtungen (z.B. den Bearbeitungsköpfen) der Werkzeugmaschine dienen. Diese Einrichtungen sind i.A. als Linearantriebe ausgebildet, durch die das Werkstück zusammen mit der Werkstückauflage und/oder relativ zu der Werkstückauflage verfahren werden kann, um das Werkstück für die Bearbeitung geeignet in einer Bearbeitungsebene (XY-Ebene) zu positionieren. Die Einrichtungen zum Verschieben des Werkstücks werden somit nicht nur zum Positionieren des Werkstücks gegenüber der(den) Bearbeitungseinrichtung(en) der Werkzeugmaschine verwendet, sondern auch zum Wickeln der dem Werkstück zugeführten Faserstränge um die Umformungen. Wie oben dargestellt können hierbei zunächst die bzw. alle Umformungen an dem Werkstück gebildet und in einem nachfolgenden Schritt umwickelt werden oder es kann zunächst an einer Position des Werkstücks eine Umformung gebildet und diese umwickelt werden, bevor das Werkstück relativ zur Bearbeitungseinrichtung bewegt wird, um an einer anderen Position eine Umformung vorzunehmen und diese zu umwickeln, etc.
Vorzugsweise umfasst das kraft- und/oder formschlüssige Verbinden des Faser- geleges mit dem Werkstück ein Verformen der an dem Werkstück erzeugten Umformungen. Das Verformen der Umformungen bewirkt z.B. bei der Verwendung einer Fasermatte, dass die Umformungen die Ausnehmungen in der Fasermatte übergreifen bzw. die Fasermatte festklemmen, so dass die Fasermatte nicht mehr beschädigungsfrei vom Werkstück getrennt werden kann und somit die Fasermatte, deren Ausnehmungen zuvor in Eingriff mit den Umformungen gebracht wurden, an dem Werkstück dauerhaft fixiert ist (Fügen durch Umformen). Die Fasermatte und/oder das durch Umwickeln der Umformungen gebildete Fasergelege kann durch die umformende Bearbeitung an den Umformungen mit dem Werkstück verklemmt werden. Eine bevorzugte Variante des Verfahrens umfasst das Aufbringen mindestens einer plattenförmigen Abdeckung, insbesondere eines Deckblechs, auf das an dem Werkstück angebrachte Fasergelege, wobei das kraft- und/oder formschlüssige Verbinden des Fasergeleges mit dem Werkstück ein Einklemmen des Fasergeleges zwischen dem Werkstück und der Abdeckung beinhaltet. Vorzugsweise kann das Verklemmen des Fasergeleges zwischen dem Werkstück und der Abdeckung durch umformendes Bearbeiten z.B. mittels eines Stanzprozesses realisiert werden. Bei der Abdeckung kann es sich um ein metallisches Material (Deckblech) handeln, es ist ggf. aber auch möglich, Kunststoff-Materialien als Abdeckung zu verwenden, die den bei der Umformung bzw. beim Einklemmen erzeugten Kräften standhalten. Das Einklemmen des Fasergeleges kann durch ein dauerhaftes Verbinden (Fügen) des Werkstücks mit dem Fasergelege und der Abdeckung erfolgen, bspw. durch Verformen von zuvor erzeugten Laschen am Werkstück, Bördeln (rechtwinkliges Aufbiegen des Randes der Umformungen), Stanznieten (Einbringen eines Verbindungselements), Durchsetzfügen (form- und kraftschlüssig durch Eindrücken eines Stempels ins Werkstück ohne Verwendung von Zusatzelementen). Es versteht sich, dass die kraft- und/oder formschlüssige direkte Verbindung zwischen dem Werkstück und dem Fasergelege durch eine oder mehrere der oben beschriebenen Arten der umformenden Bearbeitung und/oder mittels anderer, hier nicht beschriebener Arten der umformenden Bearbeitung vorgenommen werden kann.
Zur Verbesserung der Handhabung ist das Werkstück in der Regel größer ausgeführt und anders geformt (in der Regel rechteckig) als das Bauteil, welches schließlich als Faser-Metall-Verbundwerkstück verwendet werden soll. Nach Herstellung der kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung kann das Faser-Metall-Verbundwerkstück daher vom Rest- Werkstück getrennt bzw. freigeschnitten werden. Das Verfahren umfasst daher in einer bevorzugten Variante ein trennendes Bearbeiten des Werkstücks zum Trennen bzw. Freischneiden des Faser-Metall-Verbundwerkstücks vom Rest-Werkstück. Das Trennen des Faser-Metall-Verbundwerkstücks vom Rest- Werkstück kann mit Hilfe eines Stanzkopfes, z.B. durch Nibbeln, oder durch schneidende Bearbeitung erfolgen, beispielsweise durch Laserschneiden mit Hilfe eines Laserbearbeitungskopfes.
Der Gegenstand der Erfindung umfasst auch ein Computerprogrammprodukt, welches auf einem oder auf mehreren Computer-Speichermedien codiert ist und welches Instruktionen aufweist, die, wenn sie von einem oder von mehreren Computern ausgeführt werden, den einen oder die mehreren Computer veranlassen, Operationen durchzuführen, die folgendes umfassen: Beladen einer Werkstückauflage der Werkzeugmaschine mit einem metallischen Werkstück, insbesondere mit einer Blechtafel; Bearbeiten des auf der Werkstückauflage aufliegenden Werkstücks mittels einer Bearbeitungseinrichtung zum Erzeugen von Umformungen an dem Werkstück; Anbringen eines Fasergeleges an dem auf der Werkstückauflage aufliegenden Werkstück im Bereich der Umformungen; sowie Kraft- und/oder formschlüssiges Verbinden des Fasergeleges mit dem Werkstück durch Bearbeiten des Werkstücks mittels der Bearbeitungseinrichtung. Der eine oder die mehreren Computer können insbesondere in eine Steuereinrichtung der Werkzeugmaschine integriert bzw. als Steuereinrichtung der Werkzeugmaschine ausgebildet sein. Es versteht sich, dass auch die weiter oben beschriebenen Varianten des Verfahrens mit Hilfe eines solchen Computerprogramms durchgeführt werden können.
Die Erfindung betrifft auch eine Werkzeugmaschine zur Herstellung von Faser- Metall-Verbundwerkstücken, umfassend: eine Bearbeitungseinrichtung zur umformenden Bearbeitung von Werkstücken, eine Werkstückauflage zur Auflage eines Werkstücks bei der Bearbeitung, sowie mindestens eine Einrichtung zum Anbringen eines Fasergeleges an dem auf der Werkstückauflage aufliegenden Werkstück. Bei der Werkzeugmaschine kann es sich bspw. um eine Stanzmaschine mit einem (ggf. auswechselbaren) Stanzkopf als Bearbeitungseinrichtung handeln, oder um eine Stanz-Laser-Kombimaschine mit einem Stanz- und einem Laserbearbeitungskopf.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Werkzeugmaschine ist die Einrichtung zum Anbringen eines Fasergeleges zur automatisierten Zuführung einer Fasermatte zu dem auf der Werkstückauflage aufliegenden Werkstück und zur Positionierung der Fasermatte auf dem Werkstück ausgebildet. Die so ausgebildete Einrichtung zum Anbringen eines Fasergeleges kann in eine Belade-Einrichtung zum Zuführen der (metallischen) Werkstücke zur Werkstückauflage integriert oder als separate Baueinheit ausgeführt sein. Im ersten Fall kann die Beladeeinrichtung z.B. mehrere tellerförmige Vakuum-Sauger bzw. ein (programmierbares) Feld von Vakuum- Saugern aufweisen, welche ein metallisches Werkstück durch einen Unterdruck ansaugen bzw. ergreifen, um das Werkstück von einer Beladeposition auf die Werkstückauflage zu transportieren und um bearbeitete Werkstückteile von der Werkstückauflage abzutransportieren. Eine solche Be- (und Entlade-)einrichtung wird z.B. unter dem Namen „SheetMaster®" von der Anmelderin vertrieben. Zum Ergreifen bzw. Ansaugen des biegeschlaffen Fasergeleges sind die herkömmlicher Weise verwendeten Vakuum-Sauger jedoch ungeeignet. Zum Ansaugen des Fasergeleges können aber Vakuum-Sauger dienen, die an ihrer dem Fasergelege zugewandten Seite mit einem luftdurchlässigen Bauteil z.B. in Form eines offenporigen Schaumstoffs oder eines Siebes ausgestattet sind, welches als Anlagefläche für das Fasergeiege dient und ein Einsaugen des Fasergeleges bzw. von Teilen davon in den Vakuum-Sauger verhindert. Auch ist es günstig, derart ausgebildete Vakuum-Sauger großflächiger (d.h. mit einer größeren Ansaugfläche) auszubilden als Vakuum-Sauger einer herkömmlichen Beladeeinrichtung. Es versteht sich, dass die Vakuum-Sauger zum Greifen des Fasergeleges gemeinsam mit Vakuum-Saugern zum Greifen des Werkstücks in einem gemeinsamen Feld von Vakuum-Saugern angeordnet werden können. Um eine genaue Positionierung einer Fasermatte auf dem Werkstück vornehmen zu können, weist die Werkzeugmaschine in der Regel eine Steuereinrichtung auf, die ausgebildet bzw. programmiert ist, die Einrichtung zur Anbringung des Fasergeleges so anzusteuern, dass die Fasermatte an der gewünschten Stelle auf dem Werkstück positioniert wird. Insbesondere kann die Steuerung derart erfolgen, dass die ggf. an der Fasermatte vorgesehenen Ausnehmungen bzw. Durchbrüche beim Positionieren mit den Umformungen am Werkstück in Eingriff kommen bzw. generell derart, dass eine formschlüssige Anbringung der Fasermatte an bzw. zwischen den Umformungen hergestellt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Einrichtung zur automatisierten Zuführung einer Fasermatte kann auch eine Einrichtung zur automatisierten Zuführung von Fasersträngen zu dem auf der Werkstückauflage aufliegenden Werkstück an der Werkzeugmaschine vorgesehen sein. Diese Einrichtung zur automatisierten Zuführung von Fasersträngen bzw. Faser-Rovings kann ein Magazin zur Bevorratung von Fasersträngen, beispielsweise eine Spule, aufweisen. Die zur automatisierten Zuführung von Fasersträngen ausgebildete Einrichtung umfasst vorzugsweise eine Applikationseinrichtung zum Befestigen eines jeweiligen Faserstrangs an dem auf der Werkstückauflage aufliegenden Werkstück sowie zum Umwickeln der am Werkstück gebildeten Umformungen bzw. zum Befestigen der Faserstränge an den Umformungen aufweisen, die wie weiter oben beschrieben ausgebildet sein kann. Die Applikation bzw. die Zuführung kann insbesondere benachbart zur Bearbeitungseinrichtung erfolgen, um ggf. unmittelbar nach dem umformenden Bearbeiten des Werkstücks die hierbei gebildete Umformung zu umwickeln.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Applikationsvorrichtung eine Greifeinrichtung zum Greifen der Faserstränge und/oder eine Trenneinrichtung zum Durchtrennen der Faserstränge auf. Mit Hilfe der Greifeinrichtung kann ein durch die Applikationsvorrichtung in die Nähe der Oberfläche des Werkstücks gebrachte Faserstrang gegriffen werden, um den Faserstrang an dem Werkstück zu fixieren. Hierzu kann an dem Werkstück eine Umformung bspw. in Form eines Befestigungsspalts ausgebildet werden, in den der Faserstrang mittels der Greifeinrichtung geklemmt bzw. an dem der Faserstrang eingefädelt wird. Die Greifeinrichtung ist dazu vorzugsweise drehbar ausgebildet, so dass die Greifeinrichtung bzw. ein an dieser angebrachtes Greifelement, z.B. eine Greifkerbe, von einer vom Faserstrang beabstandeten Position in eine Greifposition gedreht werden kann. Der Faserstrang kann dann von der Greifeinrichtung gegriffen werden und durch weiteres Verdrehen der Greifeinrichtung an dem Werkstück fixiert werden, beispielsweise durch Einfädeln bzw. Einklemmen in den Befestigungsspalt.
Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Greifeinrichtung gleichzeitig als Trenneinrichtung dient. Die Greifeinrichtung kann dazu mit einer Schneidkante ausgestattet sein, mit deren Hilfe der Faserstrang durchtrennt wird. Bei einer drehbaren Greifeinrichtung kann die Schneidkante beispielsweise an einer dem Greifelement gegenüber liegenden Seite vorgesehen werden, so dass der Faserstrang durchtrennt werden kann, wenn die Greifeinrichtung entgegen der Greifrichtung gedreht wird.
Bei einer Ausführungsform weist die Werkzeugmaschine eine Bearbeitungseinrichtung zum Laserschneiden von Werkstücken auf. Die Bearbeitungseinrichtung kann vorteilhaft zur präzisen und schnellen trennenden Bearbeitung des Werkstücks verwendet werden, insbesondere zum Freischneiden des Faser-Metall-Verbundwerkstücks vom Rest-Werkstück und/oder zum Schneiden von Konturen an dem metallischen Werkstück in dem Bereich, in dem nachfolgend das Fasergelege angebracht werden soll. Die Erfindung ist auch realisiert in einem Computerprogrammprodukt, welches Codemittel zum Erstellen eines Bearbeitungsprogramms aufweist, das zum Durchführen aller Schritte des weiter oben beschriebenen Verfahrens (inklusive der weiter oben beschriebenen Varianten des Verfahrens) angepasst ist, wenn das Bearbeitungsprogramm auf einer Steuereinrichtung der Werkzeugmaschine abläuft. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Figuren. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine mit einer Einrichtung zum Aufbringen von Fasermatten auf ein Werkstück und einer Einrichtung zum Zuführen von Fasersträngen zu dem Werkstück; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Werkstücks mit Umformungen zur
Weiterverarbeitung zu einem Faser-Metall-Verbundwerkstück;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Werkstücks mit einer im Bereich der
Umformungen aufgebrachten Fasermatte;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Werkstücks mit aufgebrachter Fasermatte und einem Deckblech;
Fig. 5a,b Schnittdarsteliungen eines Teilbereichs des Werkstücks mit aufgebrachtem
Fasergelege und Deckblech vor bzw. nach dem Fügen;
Fig. 6a, b Schnittdarstellungen eines Teilbereichs des Werkstücks ohne Deckblech vor bzw. nach dem Fügen; Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Faser-Metall-Verbundwerkstücks nach der Trennung von einem Rest-Werkstück;
Fig. 8 ein Werkstück während der Applikation eines Faser-Rovings; und
Fig. 9a-d seitliche Schnittdarstellungen sowie entsprechende Aufsichtdarstellungen eines Teils einer Appiikationsvorrichtung während verschiedener Phasen des Applikationsvorgangs des Faser-Rovings.
Fig. 1 zeigt eine als Laser-Stanz-Kombimaschine ausgebildete Werkzeugmaschine 1 , welche als Bearbeitungswerkzeuge zum umformenden (und ggf. zum trennenden) Bearbeiten eines plattenförmigen Werkstücks 2 in Form eines Bleches einen herkömmlichen Stanzkopf 3 mit Stanzstempel 3a sowie einen Laserbearbeitungskopf 4 zum trennenden Bearbeiten aufweist. Das zu bearbeitende Werkstück 2 lagert während der Werkstückbearbeitung auf einer Werkstückauflage 5 in Form eines Bearbeitungstisches. Mittels einer herkömmlichen Halteeinrichtung 6, welche Klemmen 7 zum Festhalten des Werkstücks 2 aufweist, kann das Werkstück 2 gegenüber dem Stanzstempel 3a und dem Laserbearbeitungskopf 4 in der X- Richtung der Werkstückebene (X-Y-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems) mittels eines durch einen Doppelpfeil angedeuteten Linearantriebs 8a verschoben werden. In der Y-Richtung der Werkstückebene kann das Werkstück 2 bewegt werden, indem die Werkstückauflage 5 zusammen mit der Halteeinrichtung 6 mittels eines weiteren durch einen Doppelpfeil angedeuteten herkömmlichen Linearantriebs 8b verschoben wird.
Das Werkstück 2 lässt sich auf diese Weise in X- und Y-Richtung gegenüber dem Stanzstempel 3a und dem Laserbearbeitungskopf 4 verschieben, so dass der jeweils zu bearbeitende Bereich des Werkstücks 2 in einem ortsfesten Bearbeitungsbereich 10 des Stanzstempels 3a bzw. einem ortsfesten Bearbeitungsbereich 11 des Laserbearbeitungskopfs 4 positioniert werden kann. Im Bearbeitungsbereich 10 des Stanzstempels 3 ist eine (auswechselbare) Stanzmatrize 12 positioniert, die eine Öffnung 12a zum Eingriff für den (ebenfalls auswechselbaren) Stanzstempel 3a aufweist. Entsprechend ist in dem ortsfesten Bearbeitungsbereich 1 1 des Laserbearbeitungskopfs 4 eine Lasermatrize 13 angeordnet, welche als Öffnungsbegrenzung für eine im Wesentlichen kreisförmige Absaugöffnung 13a in der Werkstückauflage 5 dient. Auf der in Fig. 1 dargestellten Werkzeugmaschine 1 lassen sich Faser-Metall- Verbundwerkstücke herstellen, wie nachfolgend anhand von Fig. 2 bis Fig. 6 beispielhaft für die Herstellung eines Faser-Metall-Verbundwerkstücks 23 in Form eines Rades beschrieben wird, welches in Fig. 7 dargestellt ist. Zur Ansteuerung der Linearantriebe 8a, 8b bzw. zu deren Koordination mit der an der Bearbeitungsposition 10, 11 des Stanzstempels 3 bzw. des Laserbearbeitungskopfs 4 erfolgenden Bearbeitung ist an der Werkzeugmaschine 1 eine Steuereinrichtung 21 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 21 greift auf ein NC-Steuerprogramm (Bearbeitungsprogramm) zurück, dessen Steuerbefehle während der Bearbeitung abgearbeitet werden. Das NC-Steuerprogramm (Bearbeitungsprogramm) steuert die Werkzeugmaschine 1 bzw. deren Komponenten derart an, dass alle für die Herstellung eines Faser-Metall-Verbundwerkstücks erforderlichen Schritte vorgenommen werden können. Das Bearbeitungsprogramm selbst bzw. ein entsprechendes Computerprogrammprodukt 21 a ist auf einem oder auf mehreren Computer-Speichermedien codiert und weist Instruktionen auf, die, wenn sie von einem oder von mehreren Computern ausgeführt werden, die typischer Weise in die Steuereinrichtung 21 integriert sind oder mit dieser in signaltechnischer Verbindung stehen, den einen oder die mehreren Computer veranlassen, die zur Herstellung eines Faser-Metall-Verbundwerkstücks erforderlichen Schritte bzw. Operationen durchzuführen.
Nach dem Zuführen des Werkstücks 2 zur Werkstückauflage 5 mittels einer nicht gezeigten Transporteinrichtung und dem seitlichen Einspannen mittels der Halteeinrichtung 6 wird das Werkstück 2 zunächst mittels des Laserbear- beitungskopfs 4 schneidend bearbeitet, und zwar indem drei ringförmige Segmente aus dem Werkstück 2 geschnitten werden, wobei drei Stege zurückbleiben, welche die Speichen des Rades bilden (vgl. Fig. 2). Auch werden mittels des Laserbearbeitungskopfs 4 Löcher 24, 25 aus dem Werkstück 2 geschnitten, die als Krafteinleitungsstellen am Außen- bzw. am Innenumfang des zu erzeugenden Faser- Metail-Verbundwerkstücks dienen.
In einem weiteren Bearbeitungsschritt wird das Werkstück 2 mit Umformungen 15 versehen, d.h. ausgewählte Bereiche des Werkstücks 2 werden mittels des Stanzkopfs 3 bzw. des Stanzstempels 3a verformt, so dass die verformten Bereiche aus der Werkstückebene herausragen (dreidimensionale plastische Verformung). Zur Erzeugung unterschiedlicher Arten von Umformungen kann der Stanzstempel 3a ggf. gewechselt werden. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel werden Umformungen in Form von kragenförmigen Durchzügen erzeugt, die zur Herstellung einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung mit einem Fasergelege geeignet sind.
In einem weiteren Bearbeitungsschritt wird ein Fasergelege auf das Werkstück 2 aufgebracht. Das Aufbringen erfolgt im vorliegenden Beispiel durch Positionieren einer vorgefertigten Fasermatte 16 auf dem Werkstück 2, d.h. die Fasermatte 16 weist bereits die für das Verbund Werkstück erforderliche Form und Größe auf. Die Fasermatte 16 wird hierbei über eine Einrichtung 17 zur automatisierten Zuführung von Fasermatten 16 dem Werkstück 2 zugeführt (vgl. Fig. 1 ) und auf dem Werkstück 2 derart positioniert, dass die Umformungen 15 in Ausnehmungen 9 (Löcher) in der Fasermatte 16 eingreifen (vgl. Fig. 3). Durch die im Eingriff mit den Ausnehmungen 9 befindlichen Umformungen 15 wird die Fasermatte 16 in der Bearbeitungsebene (XY-Ebene) auf dem Werkstück 2 gehalten, so dass die Fasermatte 16 bei einer nachfolgenden Bewegung des Werkstücks 2 in der Bearbeitungsebene gemeinsam mit dem Werkstück 2 verschoben werden kann, ohne dass diese verrutscht. Ein Verrutschen kann auch verhindert werden, wenn an dem Werkstück 2 spitze, z.B. zinkenförmige Umformungen erzeugt werden, die beim Auflegen der Fasermatte 16 durch diese hindurchstechen und auf diese Weise eine Fixierung der Fasermatte 16 an dem Werkstück 2 bewirken.
Im vorliegenden Beispiel umfasst die Einrichtung 17 zur Zuführung ein Förderband 7a, welches die Fasermatte 16 zu dem auf der Werkstückauflage 5 aufliegenden Werkstück 2 befördert, sowie einen weiteren Linearantrieb 8c zur Verschiebung des Förderbandes 17a in X-Richtung. Eine geeignete Positionierung der Fasermatte 16 in Y-Richtung kann durch die Wahl der Position der Fasermatte 16 auf dem Förderband 17a festgelegt werden und/oder das Förderband 17a kann mittels eines weiteren (nicht gezeigten) Linearantriebs in Y-Richtung verschoben werden. Die Ablage der Fasermatte 16 auf dem Förderband 17a kann z.B. mittels eines (nicht gezeigten) Greifers oder dergleichen erfolgen.
Es versteht sich, dass die Einrichtung 17 zur automatisierten Zuführung von Fasermatten auch anders als in Fig. 1 gezeigt ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann eine direkte Ablage der Fasermatte 16 auf dem Werkstück 2 mittels einer oder mehrerer Greifeinrichtungen erfolgen, die beispielsweise an einer geeignet modifizierten Transporteinrichtung 17b zur Positionierung des Werkstücks 2 auf der Werkstückauflage 5 angebracht sein können. Die Greifeinrichtungen können in z.B. als Vakuum-Sauger 17c ausgebildet sein, die zum Greifen der biegeschlaffen Fasermatte 16 geeignet sind. Beispielsweise können als Greifeinrichtungen für die Fasermatte 16 (großflächige) Sauggreifer 17c dienen, die an ihrer der Fasermatte 16 zugewandten Seite ein luftdurchlässiges Bauteil 17d, z.B. in Form eines (planen) Siebes oder einer luftdurchlässigen Schicht aus einem offenporigen Material, z.B. aus Schaumstoff, aufweisen können, durch die hindurch das Ansaugen erfolgt. Es versteht sich, dass auf das Förderband 17a ggf. verzichtet werden kann oder dass das Förderband 17a zur Zuführung von Fasermatten 16 an eine Übergabeposition im Bereich der Transporteinrichtung 17b dienen kann, an weicher die Transporteinrichtung eine jeweilige Fasermatte 16 aufnimmt.
Unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Einrichtung 17 ist es in der Regel erforderlich, dass die Fasermatte 16 bzw. die Ausnehmungen 9 in der Fasermatte 16 in den Bereich des Werkstücks 2 verbracht werden, an dem die Umformungen 15 gebildet sind, um ein Verrutschen der Fasermatte 16 relativ zum Werkstück 2 bei der nachfolgenden umformenden Bearbeitung zu vermeiden. Die Steuereinrichtung 21 dient der Ansteuerung der Einrichtung 17 (des Förderbandes 17a bzw. des Linearantriebs 8c und/oder der Transporteinrichtung 17b) sowie zur Koordination mit einer ggf. für das positionsgenaue Auflegen erforderlichen Verschiebung des Werkstücks 2 mittels der Linearantriebe 8a, 8b.
Alternativ zur Zuführung einer Fasermatte 16 kann das Fasergelege bzw. können Teile davon auch direkt an dem in der Werkzeugmaschine 1 befindlichen Werkstück 2 erzeugt werden. Zu diesem Zweck wird ein Faserstrang 18a (auch: Faser-Roving) mittels einer weiteren Zuführungs-Einrichtung 18 automatisch in den Bereich des Stanzkopfes 3 bzw. dem diesem zugeordneten Bearbeitungsbereich 10 zugeführt und dort um die zuvor erzeugten Umformungen 15 gewickelt. Im vorliegenden Beispiel wird ein Faserstrang 18a von einem Magazin in Form einer Spule 18b abgewickelt, die an dem C-förmigen Maschinengestell der Werkzeugmaschine 1 angebracht ist. Die Spule 18b kann ggf. zur Förderung von Fasersträngen 18a mit einem (nicht gezeigten) Antrieb versehen sein. Es versteht sich, dass der Transport der Faserstränge 18a bzw. die Bevorratung der Faserstränge 18a auch an anderer Stelle in der Werkzeugmaschine 1 erfolgen kann. Vorzugsweise wird das Werkstück 2 unter Nutzung der Maschinenachsen der Werkzeugmaschine 2 derart relativ zur Einrichtung 18 bewegt, dass das Umwickeln der Umformungen 15 des Werkstücks 2 aufgrund der Relativbewegung des Werkstücks 2 gegenüber dem austrittsseitigen Ende der Zuführungs-Einrichtung 18 bzw. einer dort vorgesehenen Applikationseinrichtung 18c erfolgt. Die Applikationseinrichtung 18c dient auch der Fixierung eines jeweiligen Faserstrangs 18a an dem Werkstück 2 vor sowie nach dem Umwickeln der Umformungen 15. Zu diesem Zweck kann an dem Werkstück 2 mittels des Stanzkopfs 3 und/oder mittels des Laserbearbeitungskopfs 4 ein enger Spalt gebildet werden, in welchen der Faserstrang 18a mit seinem (freien) Ende eingeführt und festgeklemmt wird.
Fig. 8 zeigt einen solchen Applikationsvorgang. Der Faserstrang 18a wird dem Werkstück 2 durch das Innere eines rohi-förmigen Fadenführers 18d zugeführt. An dem Werkstück 2 ist ein V-förmiger Spalt 14 vorgesehen, an dem das aus dem Ende des Fadenführers 18d ragende Ende des Faserstrangs 18a fixiert werden kann. Nach Fixierung des Faserstrangs 18a kann die Umwicklung der Umformungen 15 mit dem Faserstrang 18a zur Bildung eines Fasergeleges erfolgen. Nach dem Abschluss des Umwicklungsvorgangs kann der Faserstrang 18a an demselben Spalt 14 oder an einem weiteren Spalt bzw. einer geeigneten Umformung fixiert werden.
In den Fign. 9a-d ist gezeigt, wie eine solche Fixierung des Faserstrangs 18a realisiert werden kann. Das Werkstück 2 wird so verfahren, dass sich der Fadenführer 18d in einer zum Spalt 14 benachbarten Position befindet. Die in den Fig. 9a-d gezeigte Applikationseinrichtung umfasst eine Greifeinrichtung 18e, die entlang des Fadenführers 18d (senkrecht zur Werkstückoberfläche) verfahren werden und um eine Achse 22 (senkrecht zur Werkstückoberfläche) verdreht werden kann (Fig. 9a). Zum Fixieren des Faserstrangs 18a wird die Greifeinrichtung 18e auf eine Höhe unterhalb des Endes des Fadenführers 18d verfahren und anschließend in eine Greifrichtung um die Achse 22 verdreht, so dass der Faserstrang 18a in Eingriff mit einem exzentrisch zur Achse 22 angeordneten Greifelement in Form einer Greifkerbe 18f der Greifeinrichtung 18e kommt (Fig. 9b). Durch weiteres Drehen der Greifeinrichtung 18e in Greifrichtung wird der Faserstrang 18a aus dem Fadenführer 18d herausgezogen und es bildet sich eine Schlaufe zwischen Fadenführer 18d und Greifeinrichtung 18e. Zum Einfädeln des Faserstrangs 18a in den Spalt 14 werden der Fadenführer 18d und die Greifeinrichtung 18e auf die Oberfläche des Werkstücks 2a abgesenkt (Fig. 9c) und das Werkstück 2 geeignet verfahren, bis der Faserstrang 18a im Spalt 14 eingeklemmt ist. Eine entsprechende Fixierung kann auch nach dem Abschluss des Umwickeins erfolgen, um zu verhindern, dass sich der um die Umformungen 15 gewickelte Faserstrang 18a selbsttätig löst.
Im vorliegenden Beispiel weist die Zuführungs-Einrichtung 18, genauer gesagt die Applikationseinrichtung 18c, eine Schneideinrichtung 18g auf, um einen jeweiligen Faserstrang 18a nach dem Erzeugen des Fasergeleges bzw. nach dem Erzeugen von Teilen des Fasergeleges zu durchtrennen. Die Schneideinrichtung 18g kann dazu dienen, um den Faserstrang 18a nach dem Fixieren abzutrennen, wie in Fig. 9d gezeigt ist. Die Schneideinrichtung 18g ist im gezeigten Beispiel in Form einer Schneidkante ausgebildet, die an einer der Greifkerbe 18f gegenüberliegenden Seite der Greifeinrichtung 18e vorgesehen ist. Zum Durchtrennen des Faserstrangs 18a können nach dem Einfädeln des Faserstrangs 18a in den Befestigungsspalt 14 der Fadenführer 18d und die Greifeinrichtung 18e zunächst wieder von der Oberfläche des Werkstücks 2 bzw. von dem Befestigungspalt 14 weg bewegt werden. Während oder nach dieser Bewegung kann die Greifeinrichtung 18e entgegen der Greifrichtung verdreht werden, wobei der Faserstrang 18a in Kontakt mit der Schneidkante 18g kommt und von dieser durchtrennt wird.
Die Zuführungs-Einrichtung 18 ist im vorliegenden Beispiel ortsfest installiert und kann ähnlich einer Drahtzuführung zum Schweißen oder wie die Fadenzuführung bei einer Textilmaschine, z.B. bei einer Stickmaschine, ausgeführt sein. Es ist jedoch auch möglich, das Werkstück 2 ortsfest zu belassen und die Faser-Rovings 18a mit Hilfe von beweglichen Teilen der Zuführungs-Einrichtung 18, insbesondere der Applikationseinrichtung 18c, um die Umformungen 15 herum zu bewegen. Es versteht sich, dass hierbei ggf. zusätzlich auch das Werkstück 2 in der XY-Ebene bewegt werden kann. Es versteht sich weiterhin, dass bei der Verwendung von Faser-Rovings 18a zur Herstellung des Fasergeleges das Erzeugen von Umformungen 15 nicht in einem ersten Schritt und das Anbringen des Fasergeleges in einem zweiten Schritt erfolgen muss, wie dies in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt ist. Vielmehr kann ggf. unmittelbar nach dem Erzeugen einer jeweiligen Umformung 15 diese mit einem Faser-Roving 18a umwickelt werden, bevor das Werkstück 2 verschoben wird, um an einer anderen Stelle eine Umformung auszubilden.
In beiden oben beschriebenen Fällen wird ein Fasergelege 16 erzeugt, welches gemeinsam (d.h. ohne Relativbewegung) mit dem Werkstück 2 in der Bearbeitungsebene bewegt werden kann, so dass in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt im Bereich der Umformungen 15 eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Werkstück 2 und dem Fasergelege 16 hergestellt und somit ein Faser-Metall-Verbundwerkstück erzeugt werden kann. Für die Herstellung der Verbindung kann ein vorgefertigtes Deckblech 20 auf der Fasermatte 16 platziert und die Fasermatte 16 zwischen den beiden Blechen 2, 20 geklemmt werden (vgl. Fig. 4). Die mechanische Klemm-Verbindung wird vorzugsweise im Stanzbetrieb z.B. mittels Bördeln, Stanznieten oder Durchsetzfügen hergestellt, wozu die im vorangegangenen Schritt gebildeten Umformungen 15 verformt werden können. Fign. 5a, b zeigen einen Schnitt durch eine Umformung 5 des mit der Fasermatte 16 bestückten Werkstücks 2 vor bzw. nach dem Verformen der Umformungen 5. Wie anhand von Fign. 5a, b ersichtlich ist, werden mit Hilfe des Stanzkopfes 3 die Kragen der als Durchzüge ausgebildeten Umformungen 15 nach außen gebogen, so dass ein Bördelrand entsteht, der an dem Deckblech 20 vorgesehene Schrägen bzw. Fasen übergreift und auf diese Weise die Fasermatte 16 fixiert.
Fign. 6a, b zeigen einen Schnitt durch eine Umformung 15 des mit der Fasermatte 16 bestückten Werkstücks 2, bei dem im Gegensatz zu Fign. 5a, b auf ein Deckblech zur Herstellung der kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung verzichtet wurde. Mit Hilfe des Stanzkopfes 3 der Werkzeugmaschine 1 werden auch in diesem Fall die Kragen der Durchzüge 15 nach außen gebogen, so dass diese die Fasermatte 16 übergreifen. Die nach außen gebogenen Bereiche sind im vorliegenden Beispiel krallenartig ausgebildet, um die Fasermatte 16 zu verklemmen und somit eine form- und kraftschlüssige Verbindung herzustellen.
Die Verbindung der Fasermatte 16 mit dem Werkstück 2 kann wie oben beschrieben im Bereich der Umformungen 15 erfolgen, die auch zur Fixierung der Fasermatte 16 in x-y-Richtung dienen. Auf diese Weise wird ein formschlüssiges Verbinden des Werkstück-Fasergelege-Deckblech-Sandwichs erreicht. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, vor oder nach dem Auflegen der Fasermatte 16 weitere Umformungen (nicht gezeigt) z.B. außerhalb des Bereichs in das Werkstück 2 einzubringen, in dem das Fasergelege 16 aufgebracht ist bzw. aufgebracht werden soll. Die Verbindung von Werkstück 2 und Fasermatte 16 kann zusätzlich oder ausschließlich mittels dieser weiteren Umformungen durchgeführt werden, die bevorzugt benachbart zur Fasermatte 16 am Werkstück 2 gebildet sind und die sich nach dem Umformen bzw. Verformen zumindest teilweise über den von der Fasermatte 16 bedeckten Werkstück-Bereich erstrecken Auch können das Werkstück 2, die Fasermatte 16 sowie ein ggf. vorhandenes Deckblech gemeinsam umgeformt werden, z.B. in Form einer Sicke, um auf diese Weise einen Kraft- und Formschluss zu erzeugen. Es versteht sich, dass das anhand der Fign. 5a, b und der Fign. 6a, b gezeigte Vorgehen zur kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung von Fasermatte 16 und Werkstück 2 analog auch zur kraft- und/ oder formschlüssigen Verbindung des Werkstücks 2 und einem aus Faser-Rovings hergestellten Fasergelege angewendet werden kann. Es versteht sich ebenfalls, dass Teilbereiche des Fasergeleges als Fasermatten und andere Teilbereiche in Form von Faser-Rovings ausgebildet werden können.
Nach dem Fügen wird der Faser-Metall-Verbund in einem letzten Bearbeitungsschritt entlang einer Schnittkontur 19 aus dem Werkstück 2 herausgetrennt. Dies kann mittels Laserschneiden durch den Laserbearbeitungskopf 4 oder ggf. durch Nibbeln mit Hilfe des Stanzkopfes 3 erfolgen. Das fertige Faser-Metall-Verbundwerkstück 23 (vgl. Fig. 7) kann dann mittels einer nicht bildlich dargestellten Transporteinrichtung aus der Werkzeugmaschine 1 ausgeschleust werden. Obgleich die Möglichkeit des Freischneidens bzw. des Abtrennens des Faser-Metall-Verbundwerkstücks 23 vom Rest-Werkstück unmittelbar an der Werkzeugmaschine 1 günstig ist, kann dieser Bearbeitungsschritt ggf. auch an anderer Stelle erfolgen. Dies ist ggf. günstig, wenn der oben beschriebene Herstellungsvorgang nicht wie in Fig. 1 gezeigt an einer Laser-Stanz-Kombimaschine 1 erfolgt, sondern für die Herstellung des Verbundwerkstücks 23 eine Stanzmaschine ohne Laserschneidfunktion genutzt wird. Das oben beschriebene Verfahren und die zugehörige Werkzeugmaschine ermöglichen die Herstellung von Verbundwerkstücken aus Metall und Fasergelegen als Vorstufe für die Herstellung von ebenen oder räumlich geformten Hybridbauteilen aus Metall und Faser-Kunststoff-Verbunden. Auf die oben beschriebene Weise hergestellte Faser-Metall-Verbundwerkstücke 23 können in weiteren Bearbeitungs- schritten z.B. durch Biegen dreidimensional geformt und anschließend in einem Werkzeug z.B. im RTM(„Resin Transfer Molding")-Verfahren mit Harz infiltriert oder mit einem thermoplastischen Material umspritzt werden.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren wird der Verbund durch eine direkte Kraftübertragung zwischen Blech und Fasern durch Kraft- und/oder Formschluss realisiert. Sowohl die Bearbeitung des metallischen Werkstücks als auch die Verbindung des Werkstücks mit dem Fasergelege können in ein- und derselben Werkzeugmaschine durchgeführt werden, d.h. das Zuschneiden des Blechteils, das Verbinden des Werkstücks mit dem Fasergelege und ggf. auch die Herstellung des Fasergeleges können in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen und somit Faser- Metall-Verbund Werkstücke auf besonders wirtschaftliche Weise hergestellt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Faser-Metall-Verbundwerkstücks (23) auf einer Werkzeugmaschine (1 ), umfassend die Schritte:
Beladen einer Werkstückauflage (5) der Werkzeugmaschine (1 ) mit einem metallischen Werkstück (2), insbesondere mit einer Blechtafel;
Bearbeiten des auf der Werkstückauflage (5) aufliegenden Werkstücks (2) mittels einer Bearbeitungseinrichtung (3, 3a) zum Erzeugen von Umformungen (15) an dem Werkstück (2);
Anbringen eines Fasergeleges (16) an dem auf der Werkstückauflage (5) aufliegenden Werkstück (2) im Bereich der Umformungen (15); sowie
Kraft- und/oder formschlüssiges Verbinden des Fasergeleges (16) mit dem Werkstück (2) durch Bearbeiten des Werkstücks (2) mittels der
Bearbeitungseinrichtung (3, 3a).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch
Stanzendes Bearbeiten des Werkstücks (2) zum Erzeugen der Umformungen
(15) und/oder zum kraft- und/oder formschlüssigen Verbinden des Fasergeleges
(16) mit dem Werkstück (2).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Anbringens des
Fasergeleges (16) umfasst:
Zuführen zumindest eines Teils des Fasergeleges in Form einer Fasermatte (16) zu dem auf der Werkstückauflage (5) aufliegenden Werkstück (2).
4. Verfahren nach Anspruch 3, weiter umfassend:
Positionieren der Fasermatte (16) auf dem Werkstück (2) derart, dass
mindestens eine Umformung (15) des Werkstücks (2) in Eingriff mit mindestens einer an der Fasermatte (16) gebildeten Ausnehmung (9) gebracht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Anbringens des Fasergeleges (16) umfasst:
Erzeugen zumindest eines Teils des Fasergeleges durch Umwickeln zumindest eines Teils der Umformungen (15) des Werkstücks (2) mit Fasersträngen (18a).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Faserstränge (18a) dem auf der Werkstückauflage (5) befindlichen Werkstück (2) durch Transport aus einem Magazin, insbesondere durch
Abwickeln von einer Spule (18b), zugeführt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
dass das Umwickeln der Umformungen (15) des Werkstücks (2) unter
Verschieben des Werkstücks (2) relativ zur Bearbeitungseinrichtung (3, 3a) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kraft- und/oder formschlüssige Verbinden des Fasergeleges (16) mit dem Werkstück (2) ein Verformen der an dem Werkstück (2) erzeugten
Umformungen (15) umfasst.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Aufbringen mindestens einer plattenförmigen Abdeckung, insbesondere eines Deckblechs (20), auf das an dem Werkstück (2) angebrachte Fasergelege (16), wobei
das kraft- und/oder formschlüssige Verbinden des Fasergeleges (16) mit dem Werkstück (2) ein Einklemmen des Fasergeleges (16) zwischen dem Werkstück (2) und der Abdeckung (20) umfasst.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Trennendes Bearbeiten des Werkstücks (2) zum Freischneiden des Faser-Blech- Verbundwerkstücks (23) vom Rest-Werkstück.
1 1 . Werkzeugmaschine (1 ) zur Herstellung von Faser-Blech-Verbundwerkstücken (23), umfassend: eine Bearbeitungseinrichtung (3, 3a) zur umformenden Bearbeitung von
Werkstücken (2),
eine Werkstückauflage (5) zur Auflage eines Werkstücks (2) bei der Bearbeitung, sowie mindestens eine Einrichtung (17, 18) zum Anbringen eines Fasergeleges (16) an dem auf der Werkstückauflage (5) aufliegenden Werkstück (2).
12. Werkzeugmaschine (1 ) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtung (17) zur automatisierten Zuführung einer Fasermatte (16) zu dem auf der Werkstückauflage (5) aufliegenden Werkstück (2) und zur
Positionierung der Fasermatte (16) auf dem Werkstück (2) ausgebildet ist.
13. Werkzeugmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Werkzeugmaschine (1 ) eine Steuereinrichtung (21 ) aufweist, die programmiert ist, die Einrichtung ( 7) so anzusteuern, dass die Fasermatte (16) bei der
Positionierung formschlüssig an bzw. zwischen Umformungen (15) an dem Werkstück (2) angebracht wird.
14. Werkzeugmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinrichtung (21 ) programmiert ist, die Einrichtung (17) so anzusteuern, dass mindestens eine Umformung (15) des Werkstücks (2) in Eingriff mit mindestens einer an der Fasermatte ( 6) gebildeten Ausnehmung (9) gebracht wird.
15. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einrichtung (17) mindestens einen Vakuum-Sauger (17c) zum Greifen der Fasermatte (16) aufweist, an dessen der Fasermatte (16) zugewandter Seite ein luftdurchlässiges Bauteil (17d) angebracht ist.
16. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet,
dass die Einrichtung (18) zur automatisierten Zuführung von Fasersträngen (18a) zu dem auf der Werkstückauflage (5) aufliegenden Werkstück (2) ausgebildet ist.
17. Werkzeugmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtung (18) eine Applikationseinrichtung (18c) zum Befestigen der Faserstränge an dem auf der Werkstückauflage (5) aufliegenden Werkstück (2) umfasst.
18. Werkzeugmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
dass die eine Applikationseinrichtung (18c) eine Greifeinrichtung (18e) zum Greifen der Faserstränge (18a) und/oder eine Trenneinrichtung (18g) zum Durchtrennen der Faserstränge aufweist.
19. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 1 bis 18, gekennzeichnet durch eine weitere Bearbeitungseinrichtung (4) zum Laserschneiden von Werkstücken (2).
20. Computerprogrammprodukt (21 a), welches Codemittel zum Erstellen eines Bearbeitungsprogramms aufweist, das zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angepasst ist, wenn das Bearbeitungsprogramm auf einer Steuereinrichtung (21 ) der Werkzeugmaschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 19 abläuft.
PCT/EP2013/054711 2012-03-13 2013-03-08 Verfahren zum herstellen eines faser-metall-verbundwerkstücks, werkzeugmaschine und computerprogrammprodukt WO2013135572A1 (de)

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