Einrichtung und Verfahren zum Umformen von Werkstücken mittels Magnetpulsumformung

Es wird eine Einrichtung zum Umformen von Werkstücken mittels Magnetpulsumformung angegeben. Weiterhin wird ein Verfahren zum Umformen von Werkstücken, insbesondere ein Magnetumformverfahren zur Umformung von Karosserieblechteilen, angegeben.

Unter Magnetumformung versteht man ein elektrodynamisches Hochenergieumformungsverfahren zur Kaltumformung flacher und zylindrischer Halbzeuge aus elektrisch leitfähigen Materialien mittels gepulster Magnetfelder. Das in der Nähe der Spule positionierte Werkstück wird durch die Krafteinwirkung eines gepulsten Magnetfeldes von sehr hoher Intensität berührungslos umgeformt, das heißt ohne mechanischen Kontakt zu einem Werkzeug auf der Magnet-zugewandten Seite. Dadurch treten weder Oberflächenverunreinigungen noch Werkzeugabdrücke auf.

Das Magnetumformverfahren beruht auf der physikalischen Tatsache, dass ein zeitlich veränderliches Magnetfeld in benachbarten elektrisch leitenden Körpern Wirbelströme induziert. Die Stärke der induzierten Ströme und damit die Kraftwirkung auf das Werkstück hängen entscheidend von der elektrischen Leitfähigkeit des verwendeten Werkstoffes ab. Auf diese Ströme übt das Magnetfeld Kräfte aus, deren Stärke vom räumlichen Gradienten der magnetischen Flussdichte und von der Größe der induzierten Ströme abhängt, sodass der umzuformende, leitende Körper eine Kraft entgegengesetzt zur Spulenrichtung erfährt. Diese Kraft wirkt nur einige Mikrosekunden, während die Entladung der Kondensatoren stattfindet. In dieser Zeit nimmt das Werkstück die benötigte Umformenergie in Form eines Impulses auf, wodurch es beschleunigt wird und Geschwindigkeiten bis 300 m/s erreicht. In der Folge werden die im Werkstück auftretenden Spannungen so hoch, dass ein Fließen im Sinne der Umformtechnik eintritt und die Form des unter dem Werkstück liegenden Werkzeuges angenommen wird.

Für die Magnetumformung geeignete Magnetfelder werden beispielsweise erzeugt, indem geladene Kondensatoren im Verlauf von einigen zehn Mikrosekunden über eine an die Werkstückgeometrie angepasste Spule entladen werden, wodurch im Bereich der Werkstückoberfläche ein sehr hoher Magnetfeld-Impuls entsteht. Die magnetischen Kräfte bewirken eine Expansion der Spule und eine Bewegung des Werkstücks hin zu niedrigeren Feldern.

Je nach Anordnung der beiden Wirkpartner, d.h. Spule und Umformwerkzeug, sind drei Grundformen des Verfahrens zu unterscheiden, und zwar Kompression, Expansion und das Flachumformen. Beim Flachumformen wird üblicherweise eine ebene, spiralförmige Spule parallel zu einem flachen Blechwerkstück, welches auf einem darunter liegenden Umformwerkzeug bzw. einer Matrize liegt, angeordnet. Wird das Magnetfeld direkt über dem Material erzeugt, wird es durch die elektromagnetischen Kräfte in die Vertiefungen des Umformwerkzeugs bzw. der Matrize gedrückt. Das Magnetfeld wirkt dabei wie ein herkömmlicher Pressen-Stempel.

Das gepulste Magnetfeld kann sehr genau dosiert werden, wodurch ein Aufpressen von Metallen auf Glas, Kunststoffe, Verbundstoffe oder Metalle bei hoher Wiederholgenauigkeit möglich ist. Magnetfelder und magnetische Kräfte wirken ungehindert durch Materialien wie Glas, Keramik und Kunststoff hindurch, daher lässt sich das Magnetumformen auch unter Vakuum, einer Schutzgasatmosphäre oder unter Reinraumbedingungen anwenden. Ebenfalls ist die Umformung in einer Flüssigkeit möglich (z.B. Wasser). Dabei wird der magnetische Impuls in Wellenform durch das Fluid übertragen. Der Vorteil hierbei ist, dass nur einseitig ein Werkzeug erforderlich ist und dass hohe Umformgrade realisiert werden können. Die sehr kurzen Prozesszeiten von kleiner als 0,1 Sekunden ermöglichen eine schnelle Massenfertigung von Bauteilen, insofern die benötigte Energie von Kondensatoren zur Verfügung steht. Voraussetzung für die Anwendung des Verfahrens ist eine gute Leitfähigkeit des umzuformenden Materials.

Durch Magnetumformen können beispielsweise hochfeste Stahl- und Aluminiumlegierungen nahezu beliebig kalt umgeformt werden, ohne dass es zu Rissen im Material kommt.

Der Begriff „Umformen" ist der Oberbegriff aller Fertigungsverfahren, in denen Metalle oder thermoplastische Kunststoffe gezielt plastisch in Form gebracht werden. Hierbei wird ein urgeformtes Vormaterial in ein Halbzeug umgeformt oder Werkstücke aus dem Halbzeug erzeugt. Der Werkstoff behält hierbei seine Masse und seinen Zusammenhalt bei der Umformung. Umformen unterscheidet sich vom Verformen dadurch, dass die Formänderung gezielt eingebracht wird. Beim Verformen handelt es sich hingegen um eine ungezielte plastische Formänderung.

Derzeit im Stand der Technik bekannte Umformstraßen weisen eine Vielzahl von Pressen und Tiefziehanlagen auf, in welchen feste und hochfeste Stähle kalt, halbwarm oder warm umgeformt werden. Dazu wird das Material teilweise in der Presse bzw. Tiefziehanlage erwärmt und anschließend umgeformt. Üblicherweise wird pro Station eine Umformung durchgeführt, sodass die Werkstücke zwischen den einzelnen Stationen von Hand oder vollautomatisch transportiert werden.

Eine Umformung in mehreren Schritten kann verschieden Gründe haben, einer davon ist die begrenzte Umformbarkeit des Materials pro Arbeitsschritt. Manchmal werden Bauteile zwischen den Umformungsschritten erneut erwärmt, um die bei der Umformung eingebrachten Spannungen im Material zu reduzieren. Dies hat einen hohen Energieaufwand sowie eine längere Prozesszeit zur Folge. Allgemein wird bei der Umformung von Stahl viel Energie für die Umformung und für die Erwärmung des Materials benötigt.

Die derzeit eingesetzten Umformstraßen weisen oftmals hohe Anlagenkosten und, insbesondere beim Warmumformprozess, einen hohen Energieverbrauch auf, u.a. da beim Warmumformprozess ein Erwärmen der Bleche zur Verformung nötig ist. Weitere Einschränkungen sind durch begrenzte Umformgrade bei Metallumformung durch lange Umformzeiten gegeben.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen, eine Einrichtung zum Umformen von Werkstücken anzugeben, durch welche zumindest ein Teil der genannten Nachteile vermieden werden können. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Umformen eines Werkstückes anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen gehen weiterhin aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor.

Eine hier beschriebene Einrichtung zum Umformen von Werkstücken weist gemäß zumindest einer Ausführungsform eine erste Magnetumformvorrichtung und eine zweite Magnetumformvorrichtung auf. Die Einrichtung kann insbesondere zur Umformung von Metallblechen, beispielsweise Karosserieblechteilen, ausgebildet sein. Die erste Magnetumformvorrichtung weist vorzugsweise zumindest ein erstes Umformwerkzeug sowie zumindest ein erstes Magnetwerkzeug auf. Die zweite Magnetumformvorrichtung weist vorzugsweise zumindest ein zweites Umformwerkzeug sowie zumindest ein zweites Magnetwerkzeug auf. Bei den Umformwerkzeugen kann es sich beispielsweise jeweils um Matrizen handeln. Die Magnetwerkzeuge können jeweils eine oder mehrere Spulen umfassen.

Die erste Magnetumformvorrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, ein Werkstück, wie z.B. ein Metallblech, in einem ersten Magnetumformprozess umzuformen. Die zweite Magnetumformvorrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, das Werkstück im Anschluss an den ersten Magnetumformprozess in einem zweiten Magnetumformprozess weiter umzuformen. Beispielsweise kann die Einrichtung zum Umformen von Werkstücken als Umformstraße bzw. Magnetumformstraße ausgebildet sein. Der erste Magnetumformprozess kann hier und im Folgenden auch als erster Umformvorgang bezeichnet werden. Der zweite Magnetumformprozess kann hier und im Folgenden auch als zweiter Umformvorgang bezeichnet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die erste Magnetumformvorrichtung und die zweite Magnetumformvorrichtung als direkt zueinander benachbarte Umformvorrichtungen ausgebildet. Mit anderen Worten kann die Einrichtung zum Umformen derart ausgebildet sein, dass zwischen der ersten Magnetumformvorrichtung und der zweite Magnetumformvorrichtung keine weiteren Umformvorrichtungen vorgesehen sind. Die erste Magnetumformvorrichtung und die zweite Magnetumformvorrichtung können somit innerhalb einer Umformstraße unmittelbar zueinander benachbart angeordnet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Einrichtung zum Umformen zusätzlich zur ersten und zweiten Magnetumformvorrichtung eine oder mehrere weitere Umformvorrichtungen, welche insbesondere ebenfalls als Magnetumformvorrichtungen ausgebildet sein können, auf.

Mit einer hier beschriebenen Einrichtung lassen sich im Vergleich mit herkömmlichen Umformeinrichtungen die Produktivität, die Effektivität sowie die Energieeffizienz einer Umformstraße deutlich erhöhen. Durch das Magnetumformen können hohe Umformgrade unter anderem bei höchstfesten Stählen erzielt werden. Ebenso können - durch die Grundgestalt des Verfahrens - Bauteile neu gestaltet werden. Dadurch können Gewichts- und Kostenreduktionen erzielt werden, zum Beispiel durch die Umgestaltung von mehreren Bauteilen zu einem.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Einrichtung zum Umformen von Werkstücken eine Wechselvorrichtung zum Wechseln der Magnetwerkzeuge auf. Die Wechselvorrichtung kann z.B. derart ausgebildet sein, dass das erste Magnetwerkzeug und das zweite Magnetwerkzeug nach einem ersten Umformvorgang bzw. Magnetumformprozess gewechselt werden können. Beispielsweise kann das bei einem ersten Umformvorgang eingesetzte erste Magnetwerkzeug unmittelbar nach dem ersten Umformvorgang mittels der Wechselvorrichtung wegbewegt werden. Das zweite Magnetwerkzeug kann dann durch die Wechselvorrichtung in die richtige Position gebracht werden, sodass der zweite Umformvorgang bzw. die zweite Magnetumformprozess mithilfe des zweiten Magnetwerkzeugs durchgeführt werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Einrichtung zum Umformen von Werkstücken eine Wechselvorrichtung zum Bewegen bzw. Wechseln des ersten Umformwerkzeugs und/oder des zweiten Umformwerkzeugs auf. Die Wechselvorrichtung kann z.B. zum Verfahren und/oder Verdrehen und/oder Verschwenken des ersten Umformwerkzeugs und/oder des zweiten Umformwerkzeugs ausgebildet sein. Beispielsweise lässt sich das erste Umformwerkzeug unmittelbar nach einem ersten Umformvorgang, bei welchen das erste Umformwerkzeug eingesetzt worden ist, mittels der Wechselvorrichtung wegbewegen. Das zweite Umformwerkzeug kann dann vorzugsweise durch die Wechselvorrichtung in die richtige Position gebracht werden, um den zweiten Umformvorgang bzw. den zweiten Magnetumformprozess unter Einsatz des zweiten Umformwerkzeugs durchzuführen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Einrichtung derart ausgebildet, dass das erste Umformwerkzeug und das zweite Umformwerkzeug jeweils auf einem Werkzeugtisch angeordnet sind. Die Werkzeugtische können ihren im Folgenden auch als Auflagetische bezeichnet werden. Beispielsweise können die Umformwerkzeuge jeweils auf einem Werkzeugtisch befestigt sein. Die Werkzeugtische können vorzugsweise mittels der Wechselvorrichtung zum Wechseln der Umformwerkzeuge bewegt, insbesondere verfahren und/oder verschwenkt und/oder gedreht werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Einrichtung zum Umformen von Werkstücken eine Handhabungsvorrichtung auf. Die Handhabungsvorrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, das Werkstück nach Beendigung des ersten Magnetumformprozesses der zweiten Magnetumformvorrichtung zuzuführen. Insbesondere kann die Handhabungsvorrichtung derart ausgebildet sein, dass das Werkstück mittels der Handhabungsvorrichtung nach dem ersten Magnetumformprozess vom ersten Umformwerkzeug entfernt und am zweiten Umformwerkzeug angeordnet werden kann. Beispielsweise kann die Handhabungsvorrichtung als Roboter bzw. als Manipulator ausgebildet sein. Die Handhabungsvorrichtung weist vorzugsweise einen oder mehrere Greifer auf, mittels derer das Werkstück gegriffen werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform unterscheidet sich das erste Magnetwerkzeug vom zweiten Magnetwerkzeug. Beispielsweise können sich die Magnetwerkzeuge insbesondere hinsichtlich ihrer Form, Größe und/oder Leistung voneinander unterscheiden.

Weiterhin wird ein Verfahren zum Umformen eines Werkstückes angegeben. Bei dem Verfahren kann es sich insbesondere um ein Verfahren zum Umformen eines Metallblechs, beispielsweise eines Karosserieblechteils, handeln. Bei dem Verfahren wird eine hier beschriebene Einrichtung zum Umformen von Werkstücken bereitgestellt. Die Einrichtung kann ein oder mehrere Merkmale der vorgenannten Ausführungsformen aufweisen. Weiterhin wird zumindest ein umzuformendes Werkstück bereitgestellt.

In einem ersten Umformvorgang wird das Werkstück mittels der ersten Magnetumformvorrichtung umgeformt. Mit anderen Worten wird das Werkstück in einem ersten Magnetumformprozess unter Einsatz des ersten Magnetwerkzeugs und des ersten Umformwerkzeugs umgeformt. Danach wird das Werkstück in einem zweiten Umformvorgang mittels der zweiten Magnetumformvorrichtung, das heißt unter Einsatz des zweiten Magnetwerkzeug und des zweiten Umformwerkzeugs, weiter umgeformt. Vorzugsweise erfolgt der zweite Umformvorgang unmittelbar nach dem ersten Umformvorgang, d.h. zwischen dem ersten Umformvorgang und dem zweiten Umformvorgang finden keine weiteren Umformvorgänge statt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden das erste Magnetwerkzeug und das zweite Magnetwerkzeug zwischen dem ersten Umformvorgang und im zweiten Umformvorgang gewechselt. Beispielsweise kann das erste Magnetwerkzeug, z.B. durch eine Wechselvorrichtung, nach dem Beenden des ersten Umformvorgangs wegbewegt werden. Das zweite Magnetwerkzeug kann dann, beispielsweise ebenfalls durch die Wechselvorrichtung, der den Position gebracht werden, dass der zweite Umformvorgang mittels des zweiten Magnetwerkzeugs durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann das zweite Magnetwerkzeug, nachdem das erste Magnetwerkzeug wegbewegt worden ist, an dieselbe Position bewegt werden, in welcher das erste Magnetwerkzeug während des ersten Umformvorgangs angeordnet war.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden das erste Umformwerkzeug und/oder das zweite Umformwerkzeug zwischen dem ersten Umformvorgang und dem zweiten Umformvorgang bewegt. Beispielsweise können die Umformwerkzeuge zwischen den beiden Umformvorgängen verfahren und/oder verschwenkt und/oder gedreht werden. Dabei kann beispielsweise eine Wechselvorrichtung eingesetzt werden. Die Umformwerkzeuge können z.B. jeweils auf einem Werkzeugtisch angeordnet sein, wobei die Werkzeugtische durch die Wechselvorrichtung verfahren bzw. verschwenkt werden können. Dadurch kann vorteilhafterweise das zweite Umformwerkzeug in die richtige Position gebracht werden, um den zweiten Magnetumformprozess durchzuführen. Beispielsweise kann das zweite Umformwerkzeug bzw. der zugehörige Werkzeugtisch nach dem ersten Magnetumformprozess mittels der Wechselvorrichtung in die Position gebracht werden, in der das erste Umformwerkzeug bzw. der zugehörige Werkzeugtisch während des ersten Magnetumformprozesses angeordnet war.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Werkstück nach dem Beenden des ersten Umformvorgangs durch eine Handhabungsvorrichtung, beispielsweise einen Manipulator, zum zweiten Umformwerkzeug bewegt. Das Werkstück kann z.B. durch einen oder mehrere Greifer nach dem ersten Umformvorgang vom ersten Umformwerkzeug entfernt und, beispielsweise nach einem Verfahren bzw. Verschwenken der Umformwerkzeuge, am zweiten Umformwerkzeug angeordnet werden. Anschließend kann der zweite Umformvorgang des Werkstücks mittels des zweiten Magnetwerkzeugs und des zweiten Umformwerkzeugs durchgeführt werden. Bei bewegbaren Umformwerkzeuge bzw. Werkzeugtischen ist es weiterhin möglich, dass das Werkstück für einen Wechsel des Umformwerkzeugs nach dem ersten Umformvorgang durch die Handhabungsvorrichtung lediglich angehoben und anschließend, d.h. nach einem Wechsel des Umformwerkzeugs, wieder abgesenkt werden muss.

Durch die hier beschriebene Einrichtung zum Umformen von Werkstücken bzw. durch das hier beschriebene Verfahren lassen sich vorteilhafterweise auf einfache Art und Weise hohe Umformgrade und Hinterschneidungen erzielen. Weiterhin ist die hier beschriebene Einrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Pressenstraßen kostengünstig realisierbar. Das Verfahren zeichnet sich darüber hinaus durch geringe Umformzeiten, beispielsweise von weniger als 0,1 Sekunden, und durch einen geringen Energieverbrauch aus, insbesondere da kein Erwärmen der Werkstücke benötigt wird.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der hier beschriebenen Einrichtung zum Umformen von Werkstücken und des hier beschriebenen Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Ausführungsformen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum

Umformen von Werkstücken gemäß einem Ausführungsbeispiel, und

Fig. 2 eine weitere schematische Darstellung der Einrichtung zum Umformen von Werkstücken aus der Figur 1 .

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.

Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Einrichtung 100 zum Umformen von Werkstücken 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Einrichtung 100 weist eine erste Magnetumformvorrichtung 1 mit einem ersten Umformwerkzeug 10 und einem ersten Magnetwerkzeug 1 1 auf. Weiterhin weist die Einrichtung 100 eine zweite Magnetumformvorrichtung 2 mit einem zweiten Umformwerkzeug 20 und einem zweiten Magnetwerkzeug 21 auf. Die Umformwerkzeuge 10, 20 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils als Matrizen ausgebildet, welche jeweils eine spezifische formgebende Oberfläche aufweisen. Die Magnetwerkzeuge 1 1 , 21 umfassen jeweils zumindest eine Spule zur Erzeugung von gepulsten Magnetfeldern.

Weiterhin weist die Einrichtung 100 einen ersten Werkzeugtisch 12, an dem das erste Umformwerkzeug 10 befestigt ist, und einen zweiten Werkzeugtisch 22, an dem das zweite Umformwerkzeug 20 befestigt ist, sowie eine Wechselvorrichtung 5 zum Wechseln der Werkzeugtische 12, 22 auf. Darüber hinaus umfasst die Einrichtung 100 eine Wechselvorrichtung 4 zum Wechseln der Magnetwerkzeuge 1 1 , 12.

In der Figur 1 ist schematisch das Ende eines ersten Umformvorgangs dargestellt, bei dem ein Werkstück 3, beispielsweise ein Stahlblech, durch ein mittels des ersten Magnetwerkzeugs 1 1 erzeugtes gepulstes Magnetfeld 6 umgeformt wird. Das Werkstück 3 wird beim Umformen an die formgebende Oberfläche des ersten Umformwerkzeugs gepresst.

Nach dem ersten Umformvorgang werden das erste Magnetwerkzeug 1 1 und das zweite Magnetwerkzeug 21 mittels der Wechselvorrichtung 4 gewechselt. Nach dem Wechseln der Magnetwerkzeuge 1 1 , 21 nimmt das zweite Magnetwerkzeug 21 in etwa die Position ein, die das erste Magnetwerkzeug 1 1 während des ersten Umformvorgangs innehatte. Weiterhin werden der erste und zweite Werkzeugtisch 12, 22 mittels der Wechselvorrichtung 5 nach dem ersten Umformvorgang gewechselt, wobei das Werkstück 3 zum Wechseln der Werkzeugtische 12, 22 mittels eines Manipulators (nicht dargestellt) kurz angehoben und nach dem Wechseln derart abgesenkt wird, dass das Werkstück am zweiten Magnetwerkzeug 21 angeordnet ist. Anschließend wird das Werkstück 3 in einem zweiten Umformvorgang, welcher schematisch in der Figur 2 gezeigt ist, durch ein vom zweiten Magnetwerkzeug 21 erzeugtes gepulstes Magnetfeld 6 weiter umgeformt.

Durch die hier gezeigte Einrichtung 100 können nahezu beliebig hohe Umformgrade fester und hochfester Stähle erzielt werden können. Des Weiteren können Hinterschneidungen mithilfe des Magnetumformens auf einfache Art und Weise durch die wechselbaren Magnet- und Umformwerkzeuge durchgeführt werden.

Alternativ oder zusätzlich können die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele weitere Merkmale gemäß den Ausführungsformen der allgemeinen Beschreibung aufweisen.

Bezugszeichenliste

1 erste Magnetumformvorrichtung

10 erstes Umformwerkzeug

1 1 erstes Magnetwerkzeug

12 erster Werkzeugtisch

2 zweite Magnetumformvorrichtung

20 zweites Umformwerkzeug

21 zweites Magnetwerkzeug

22 zweiter Werkzeugtisch

3 Werkstück

4, 5 Wechselvorrichtung

6 gepulstes Magnetfeld

100 Einrichtung zum Umformen