Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von durch Umformen, insbesondere Tiefziehen erhaltenen Blechbauteilen. Sie kann grundsätzlich zur optimierten Herstellung von Tiefziehbauteilen verwendet werden. Dies ist speziell bei Bauteilen der Fall, welche eine kritische Geometrie besitzen (ho her Umformgrad bei einem Umformvorgang), Schwachstellen durch lokale Dehnung aufweisen oder zur Herstellung mehrstufige Umformprozesse durchgeführt werden müssen. Die Anwendungsgebiete reichen von der Weißwarenindustrie bis zur Automobilindustrie. In der Automobilindustrie ist vor allem die erreichbare Verbesserung der Crash-Eigenschaften besonders interessant. Die zwei Ziele sind also verbesserte Umformbarkeit bei der Her stellung (Thema A) und günstigere Gebrauchseigenschaften bei der Nutzung (Thema B). Zum Thema A: Eine Grenze beim Tiefziehen ist die bekannte lokale Ausdün nung mit anschließender Rissentstehung in bestimmten insbesondere stark beim Tiefziehen verformten Bauteilbereichen. Ursachen hierfür sind die wäh rend der Umformung auftretenden örtlichen Belastungen, welche die Materi alfestigkeit an der Versagensstelle übersteigen. Diese Belastungen sind örtlich im Blech und zeitlich während des Tiefziehens in unterschiedlichen Bereichen des jeweiligen Bauteils unterschiedlich groß. Genauso sind die Materialeigen schaften örtlich und zeitlich unterschiedlich, da während des Tiefziehens die Blechdicke abnimmt bzw. zunimmt und somit die örtliche Belastbarkeit ver ringert/erhöht; wobei in beiden Fällen die Kaltverfestigung zunimmt und da mit die örtliche Belastbarkeit gesteigert wird. Übersteigt die Belastung die örtliche Materialfestigkeit, liegt eine lokale „Schwachstelle" vor. Beim Tiefzie hen sind also die Komplexität der dreidimensionalen Bauteile bzw. die Pro- zessstabiltät durch diese lokalen Schwachstellen eingeschränkt. Deshalb gibt es Bauteilgeometrien, die nur mithilfe von mehrstufigen Vorgehensweisen mit unterschiedlich gestalteten Werkzeugen nacheinander durchgeführt werden können oder gar nicht mittels Blechumformung herstellbar sind.

Zum Thema B: Eine Grenze bei der Nutzung von tiefgezogenen Blechbauteilen liegt in den lokalen Eigenschaften. Der Ort im dreidimensionalen Bauteil mit der höchsten Belastung im Lebenszyklus - hier nachfolgend auch „Hotspot" genannt - bestimmt die zu wählende Blechdicke und Materialfestigkeit des Halbzeuges. Die Änderungen beim Tiefziehen (lokale Änderung der Blechdicke und Kaltverfestigung) müssen beachtet werden und führen i.d.R. dazu, dass die Mindestwerte für Blechdicke und Festigkeit im Halbzeug erhöht werden müssen, um zum einen im Bereich der „Schwachstellen" beim Tiefziehen kein Versagen zu erleiden und zum anderen die „Hotspots" belastungsfähig zu ma chen. Die Möglichkeiten, die auftretende Kaltverfestigung beim Tiefziehen lokal zu nutzen und die „Hotspots" zu verbessern sind aber bisher begrenzt. Zum Beispiel werden sich deformierende Bauteile zur Absorption von Kräften in Fahrzeugstrukturen bei einem Crash verwendet. Sie sind hinsichtlich ihrer Energieaufnahme über dem Verformungsweg auszulegen. Die Möglichkeiten, dieses Verhalten gezielt und präzise im Tiefziehprozess zu beeinflussen, sind mithilfe der Möglichkeiten klassischer Tiefziehverfahren eng begrenzt.

Die einfachste Lösung der hier beschriebenen Probleme ist die Verwendung von teureren Halbzeugen (Blechplatinen), die eine größere Ausgangsblechdi cke und/oder bessere Eigenschaften aufweisen; z.B. höhere Festigkeit und Dehnbarkeit, was die Eigenmasse und die Kosten der jeweiligen Bauteile er höht.

Weiterhin werden zur Erweiterung von Prozessgrenzen (Thema A) oder der Verbesserung von Bauteileigenschaften (Problem B) im industriellen Umfeld bereits Platinen mit variabel gestalteten Eigenschaften über der Geometrie eingesetzt. Diese sogenannten Tailored Blanks zeichnen sich zum Beispiel durch eine variable Blechdicke oder Wärmebehandlung über der Geometrie aus. Diese sind aber hinsichtlich der variabel zu gestaltenden Eigenschaften selbst, als auch den möglichen geometrischen Gestaltungsfreiheiten über der als Halbzeug eingesetzten Platine verfahrensspezifische Grenzen gesetzt. Bei spielsweise können Platinen mit bestimmten geforderten Eigenschaften nicht hergestellt werden.

Eine weitere bekannte Lösung der Probleme ist das mehrstufige Tiefziehen von Blechformteilen. Ist das Formänderungsvermögen im Erstzug erschöpft, erfolgt die Formgebung im Weiterzug in weiteren einzelnen aufeinander fol genden Stufen. Der mehrstufige Umformprozess wird mit verketteten Einzel pressen, entsprechend größeren Pressen mit mehreren Werkzeugstufen oder Folgeverbundwerkzeugen realisiert. Alle Lösungen zeichnen sich durch multip le Pressen- und Werkzeugtechnik aus und sind dementsprechend kostenin tensiv.

Zur Lösung dieser Probleme wurde das nachfolgend so genannte BiDirectio- nalDrawing (BDD), wie es in DE 102008 062850 B4 beschrieben worden ist, eingesetzt. Das bekannte Verfahren dient zur Erweiterung der Prozessgren zen. Dabei soll vor der Durchführung des eigentlichen Tiefziehverfahrens ört lich begrenzt die Eigenschaftsverbesserung eingebracht werden. Es werden dazu die an sich vorhandenen Einspannungen und Werkzeuge, die zum Tief ziehen auch eingesetzt werden, genutzt, um im Grenzbereich zwischen Tief ziehwerkzeugen und Fixierelementen für ein plattenförmiges Halbzeug Ver formungen zu bewirken, die dort ebenfalls zu einer Kaltverfestigung führen.

Es können solche Beeinflussungen daher nur in Bereichen eines Bauteils vor der Durchführung des eigentlichen Tiefziehprozesses erfolgen, die durch den Aufbau und die Anordnung der Werkzeuge einer Tiefziehanlage vorgegeben sind. Zusätzlich muss die Pressentechnik die heute am Markt kaum verfügbare Kinematik aufweisen. Das bedeutet die Integration aufwendiger Servoachsen in bestehende Anlagen bzw. Pressenneuentwicklungen, die bei großen Kräf ten und Hüben kostenintensiv sind.

Dabei können durch das Wechselbiegen mit mehreren Werkzeugachsen die lokalen Eigenschaften im Bauteil verändert werden. Zur Erzeugung von lokal definierten Eigenschaften werden ausschließlich die üblichen Tiefziehwerk zeuge verwendet. Dementsprechend können lediglich die Bereiche im Bauteil beeinflusst werden, die während des Biegevorgangs durch das Tiefziehwerk zeug erreichbar sind. Die lokal definierte Beeinflussung der Eigenschaften ei nes Blechs ist somit begrenzt, da bestimmte Bereiche eines zu verformenden Blechs nicht zugänglich und damit auch nicht beeinflussbar sind, da dies mit den bisher eingesetzten Tiefziehwerkzeugen nicht möglich ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten eine verbesserte lokal defi nierte Beeinflussung des Tiefziehverhaltens und/oder der Festigkeit, insbe sondere der Festigkeit in Hotspot-Bereichen anzugeben, wobei die Anforde rungen an die Dicke eines eingesetzten plattenförmigen Halbzeugs und die Grundfestigkeit des jeweiligen Bauteilwerkstoffs gesenkt und damit die Bau teilkosten und Eigenmasse reduziert werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Wei terbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichne- ten Merkmalen realisiert werden.

Bei dem Verfahren wird mit mindestens einem Konditionierwerkzeug an min destens einer Oberfläche eines plattenförmigen metallischen Halbzeugs lokal definiert an vorgegebenen Positionen ein vorgegebener Weg zurückgelegt und/oder eine vorgebbare Druckkraft in einer Pressrichtung ausgeübt, so dass an diesen Positionen des plattenförmigen Halbzeuges für eine lokal definierte Konditionierung eine lokale Umformung, die insbesondere eine Biegeumfor mung ist, eine lokal definierte Kaltverfestigung des jeweiligen Halbzeugwerk- Stoffs und/oder eine Veränderung der Dicke des plattenförmigen Halbzeugs bewirkt wird, wobei die vorgegebenen Positionen der lokalen Umformung unter Berücksichtigung der beim Umformen lokal definiert zu erreichenden Eigenschaftsänderungen oder im Betrieb des Bauteils auftretende Belastun gen mittels Erfahrungswissen von Fachleuten, durch empirische Versuchs durchführung, durch mathematische Simulationsrechnung und/oder durch virtuelle Prognosemodelle bestimmt werden.

Im Anschluss an die lokal definierte Konditionierung an den vorgegebenen Positionen kann mit den erreichten Veränderungen von Festigkeit und/oder Dicke das Bauteil mit ein- oder mehrstufiger Umformung, insbesondere ein- oder mehrfachem Tiefziehen in seine Endform gebracht werden. Dies kann mit üblicherweise genutzten Umformpressen und -Werkzeugen erreicht wer den.

An den vorgegebenen Positionen kann eine Bewegung des mindestens einen Konditionierwerkzeuges mit Biegewechselbeanspruchung des plattenförmi gen Halbzeuges mit vorgegebener Frequenz, Anzahl der Bewegungen, beim Umformen zurückgelegten Wegen und/oder jeweiligen Amplituden oder Druckkräften auch mit alternierenden zeitabhängig variablen Weg- und/oder Druckkraftvorgaben mit dem mindestens einen Konditionierwerkzeug durch geführt werden. Am plattenförmigen Halbzeug sollten bei Durchführung die ser Biegeverformung maximal ein Weg, von BO mm, bevorzugt 10 mm zurück gelegt werden.

Der jeweilige vorgegebene Weg und/oder die vorgegebene Druckkraft auf die vorgegebenen Positionen kann/können auf die mindestens eine Oberfläche an den jeweils vorgegebenen Positionen so aufgebracht werden, dass die Ver änderung der Dicke des plattenförmigen Halbzeugs und/oder die Kaltverfesti gung einer vorgegebenen Kontur entsprechend folgend durchgeführt wird.

Es sollten vorgegebene Positionen bestimmt werden, die diskret zueinander angeordnet sind oder eine Linie einer Kontur bilden. Es können dabei linien förmige Konturen ausgebildet werden, die einen durch Druckkraftwirkung unbeeinflussten Bereich des plattenförmigen Halbzeugs zumindest teilweise umschließen. Dies kann auch mit Konditionierwerkzeugen, die ebene Oberflä chen aufweisen erreicht werden.

Vorteilhaft kann die Konditionierung so durchgeführt werden, dass das plat tenförmige Halbzeug im Anschluss an die lokal definierte Konditionierung und vor Beginn einer weiteren Umformung vorzugsweise eine weitest gehende ebene Oberfläche, aufweist. Maximal kann die Abweichung der Ebenheit die oben genannten 30 mm betragen.

Die Konditionierung kann in einer gesonderten Vorrichtung durchgeführt werden, wobei die gesonderte Vorrichtung sich von der Presse, die zum Um formen nach der Konditionierung eingesetzt wird, unterscheidet. Dabei kann die gesonderte Vorrichtung erheblich einfacher aufgebaut, konstruiert und herstellbar sein, als eine Umformpresse. Sie sollte es lediglich ermöglichen Verformungen an verschiedensten Positionen, die möglichst flexibel ausge wählt werden können an einem plattenförmigen Halbzeug mit einem oder mehreren Konditionierwerkzeugen durchführen zu können. Dies kann bei spielsweise mit einer entsprechenden zweidimensionalen Relativbewegung von Konditionierwerkzeug(en) und plattenförmigem Halbzeug erreicht wer den. Im Anschluss an die Konditionierung kann das konditionierte Halbzeug in einem Umformwerkzeug ein- oder mehrstufig fertig umgeformt werden.

Bei einer gleichzeitigen lokal definierten Konditionierung entlang mindestens eines offenen Linienzugs und mindestens einer geschlossenen Kontur kann mindestens ein Konditionierwerkzeug eingesetzt werden, das eine dreidimen sional konturierte Oberfläche in Kombination mit an die dreidimensional kon- turierte Oberfläche angepassten, durch die Matrizen dringenden Stempelstif ten oder eine ebenfalls durch die Matrizen dringende dreidimensionale Geo metrie von Stempeln aufweist, so dass das plattenförmige Halbzeug an unter schiedlichen vorgegebenen Positionen entsprechend der dreidimensional konturierten Oberfläche der jeweiligen Matrize in Kombination mit den auf die dreidimensional geformte Oberfläche angepassten, durch die Matrizen dringenden Stempelstiften an den entsprechenden vorgegebenen Positionen auf den Stempeln oder der durch die Matrizen dringenden dreidimensionalen Geometrie von Stempeln durch deren Bewegung verformt wird, um im Be reich der entsprechenden vorgegeben Positionen eine Veränderung der Dicke des plattenförmigen Halbzeugs und/oder der Festigkeit des Halbzeugwerk

5 stoffs zu erreichen.

Teilwerkzeuge können aber auch in eine Presse integriert sein und mit der Presse und den Teilwerkzeugen kann dann zuerst eine Konditionierung und im Anschluss daran eine Umformung durchgeführt werden. In diesem Fall kann auf den Einsatz einer gesonderten Vorrichtung, in der dann nur eine Konditio

10 nierung durchgeführt wird, verzichten werden.

Als Teilwerkzeug können Stempel- oder stiftförmige Teilwerkzeuge eingesetzt werden. Diese sollten an der Oberfläche, die mit dem plattenförmigen Halb zeug in Kontakt gebracht werden, konvex gekrümmt ausgebildet sein und ei

15 nen Mindestradius aufweisen, mit dem eine Ausbildung von Kerben an der Halbzeugoberfläche vermieden werden kann.

Es können auch ineinandergreifende Konditionierwerkzeuge zur Realisierung der lokal definierten Konditionierung entlang mindestens eines offenen Li

20 nienzugs und mindestens einer geschlossenen Kontur an einem Konditionier werkzeug und damit bei einem Bewegungsablauf eingesetzt werden.

Die lokal definierte Konditionierung kann entlang mindestens eines offenen Linienzugs und/oder mindestens einer geschlossenen Kontur mit einem punk tuell wirkenden Konditionierwerkzeug mit mehrfach nacheinander durchge

25 führter Konditionierung an diskreten Positionen der Oberfläche des jeweiligen plattenförmigen Halbzeugs durchgeführt werden, um im Bereich der entspre chenden vorgegebenen Positionen eine Veränderung der Dicke des platten förmigen Halbzeugs und/oder der Festigkeit des Halbzeugwerkstoffs zu errei chen.

BO Es kann auch mindestens ein punktuell wirkendes Konditionierwerkzeug in Kombination mit einer Bewegungseinheit und einer Ablage über das platten förmige Halbzeug an die entsprechenden diskreten Positionen bewegt wer den oder das plattenförmige Halbzeug kann mit einer entsprechenden Bewe- gungseinheit bewegt werden, so dass im Bereich der entsprechenden Positio nen entlang mindestens eines offenen Linienzugs und/oder mindestens einer geschlossenen Kontur eine Veränderung der Dicke des plattenförmigen Halb zeugs und/oder der Festigkeit des Halbzeugwerkstoffs erreicht wird/werden.

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In jeder Ausführung der Erfindung können diskrete Positionen mit den vorge gebenen Positionen übereinstimmen. Dies muss jedoch nicht zwingend der Fall sein, wenn gewährleistet sein kann, dass durch Einwirkung eines Konditi onierwerkzeugs oder eines Teilwerkzeugs an den vorgegebenen Positionen

10 die jeweils gewollte Beeinflussung der Dicke des plattenförmigen Halbzeugs und/oder der Festigkeit des Halbzeugwerkstoffs lokal definiert erreicht wer den kann.

Wirken ein oder mehrere Konditionierwerkzeug(e) lediglich an einer Oberflä

15 che eines plattenförmigen Halbzeugs und die gegenüberliegend angeordnete Oberfläche liegt auf einer ebenen Fläche auf, kann an den vorgegebenen Posi tionen im Wesentlichen lediglich seine Dicke lokal definiert verändert werden, so dass durch plastische Verformung des Halbzeugs eine Werkstoffverteilung erreicht werden kann, mit der bestimmte Bereiche eines plattenförmigen

20 Halbzeugs ein größeres Werkstoffvolumen in einem entsprechend begrenzten Bereich aufweisen, die ein „Werkstoffrese rvoir" für das eigentliche Tiefziehen in Bereichen eines Halbzeugs darstellen. In diesen Bereichen ist eine stärkere Verformung als in anderen Bereichen möglich, so dass eine zu starke Werk stoffdickenreduzierung beim Tiefziehen, die zu einer Rissbildung führen kann,

25 vermieden werden kann.

Erfolgt eine wechselnde Druckkraftwirkung, insbesondere mit einer Biege wechselbeanspruchung an vorgegebenen Positionen kann vorwiegend eine verbesserte Kaltverfestigung in den so beeinflussten Bereichen eines platten

BO förmigen Halbzeugs vor dem Tiefziehen erreicht werden.

Wie bereits angesprochen, können die jeweiligen vorgegebenen Positionen anhand von Erfahrungswissen, das Personal, das mit der Durchführung von Tiefziehprozessen gewonnen hat, bestimmt werden. Eine Bestimmung der Positionen kann aber auch empirisch mit mehreren Ver suchen erfolgen, bei denen die Auswirkung bestimmter Maßnahmen einer lokal definierten Wirkung von Konditionierwerkzeugen berücksichtigt werden kann.

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Allein oder zusätzlich zu diesen zwei Vorgehensweisen kann aber auch eine Bestimmung mittels Simulationsrechnung erreicht werden. Darauf soll später noch genauer eingegangen werden.

10 Wird an den vorgegebenen Positionen eine Biegewechselbeanspruchung durchgeführt, kann diese mit vorgegebener Frequenz, Anzahl und/oder Amplitude durchgeführt werden, um die jeweils gewünschte Dickenverände rung und insbesondere das gewünschte Maß an Kaltverfestigung zu erreichen.

15 Die jeweiligen vorgegebenen Positionen können so bestimmt werden, dass die Positionen diskret zueinander angeordnet sind oder eine Linie einer Kon tur bilden. Eine Linie kann dabei Bereiche aufweisen, die konvex und/oder konkav in Bezug zu einem ggf. fiktiven Bezugspunkt, der an einer Seite einer Kontur angeordnet ist, ausgebildet sein. Umschließt eine Linie einen Bereich

20 des plattenförmigen Halbzeugs kann der Flächenschwerpunkt als Bezugspunkt angesehen werden.

Mit einer linienförmigen Kontur kann ein Flächenbereich des jeweiligen plat tenförmigen Halbzeugs zumindest teilweise umschlossen sein. Dabei können

25 beispielsweise Unterbrechungen in einer linienförmigen Kontur ausgebildet werden. Erfolgt die Einwirkung von Konditionierwerkzeugen an einzelnen dis kret zueinander angeordneten Positionen können punktförmige Deformatio nen ebenfalls einer entsprechenden Kontur folgend ausgebildet werden, die auch linienförmig angeordnet sein können.

BO

Kern der Erfindung stellt das Verfahren zur Erzeugung von lokalen Eigenschaf ten auf der Blechplatine (Konditionierung) und die dazugehörigen technischen Umsetzungen dar. Die eigentliche Beeinflussung der variablen lokalen Eigen- schäften, insbesondere Blechdicke und/oder Kaltverfestigung wird durch lokal definierte Umformung (bevorzugt Wechselbiegen um eine definierte Geomet rie) erreicht. Die lokal definierte Umformung an den vorgegebenen Positionen kann mittels alternierender Relativbewegungen zwischen verschiedenen

5 Werkzeugachsen, ähnlich wie im BiDirectionalDrawing erreicht werden. Der Unterschied dazu besteht darin, dass das jeweilige plattenförmige Halbzeug nahezu eben ausgebildet bleiben kann und vor dem Tiefziehen eine annä hernd gleiche Geometrie am Umfang (also wenig räumliche Ausdehnung wie bei der Mehrstufenumformung, bei der eine ausgeprägte dreidimensionale

10 Geometrie i.d.R. schon in der ersten Stufe realisiert wird) eingehalten werden kann. Außerdem können Bereiche, in denen eine definierte Eigenschaftsver besserung erreicht worden ist, unabhängig von der Werkzeuggeometrie der jeweiligen Umformmaschine, z.B. in einer Tiefziehpresse gestaltet werden.

15 Die Konditionierung des plattenförmigen Halbzeugs kann einerseits außerhalb der Tiefziehpresse in einer separaten Maschine (Konditioniereinheit) erfolgen. Eine Konditioniereinheit kann mit mindestens einem Konditionierwerkzeug, das in mindestens zwei regelbaren Achsen mit kurzem Hub für das Wechsel biegen bewegbar ist, sowie mindestens eine Klemmachse aufweist, gebildet

20 sein. Konditioniereinheiten können beispielsweise nach der Presse für das Schneiden der Außenkontur eines plattenförmigen Halbzeugs oder vor einer Tiefziehpresse positioniert und die plattenförmigen Halbzeuge mit einer ent sprechenden Automatisierung durch die Stationen getaktet werden. Dabei können die plattenförmigen Halbzeuge bei Bedarf wahlweise mehrere Kondi

25 tioniereinheiten durchlaufen oder die Konditionierwerkzeuge an einer Kondi tioniereinheit während der Konditionierung gewechselt werden.

Andererseits können die lokalen Eigenschaften mithilfe einer Vorstufe in bzw. an einer Tiefziehpresse beeinflusst werden. Eine Vorstufe, die in bzw. an der

BO Tiefziehpresse angeordnet sein kann, sollte ebenfalls zwei zusätzliche regelba re Achsen für das Wechselbiegen aufweisen. Die Klemmung kann ebenfalls separat in der Konditioniereinheit oder mithilfe eines Pressenstößels realisiert werden. Im Folgenden werden Möglichkeiten für die Herstellung der geforderten Ei genschaftsverteilung (Konditionierung) an dem jeweiligen plattenförmigen Halbzeug beschrieben. Dabei lassen sich grundsätzlich zwei Varianten der Konditionierung und der jeweiligen technischen Umsetzung unterscheiden.

5 Die Varianten unterscheiden sich im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Flexibili tät und der für die Konditionierung benötigten Zeit.

Die Beeinflussung der lokalen Eigenschaften an einem plattenförmigen Halb zeug kann in verschiedenen Varianten erreicht werden, die nachfolgend erläu

10 tert werden sollen.

Variante 1.1: Konditionierung mit ebenem linienförmigen Konditionierwerk zeug

Zur Beeinflussung der geforderten lokal definierten Eigenschaften wird ein

15 ebenes linienförmiges Konditionierwerkzeug eingesetzt. Das Konditionier werkzeug besteht bei diesem Beispiel aus zwei Matrizen- und zwei Stempel teilen. Wie beim BiDirectionalDrawing (BDD-Methode) wird das plattenförmi ge Halbzeug zwischen einer oberen und unteren Matrize, sowie dem oberen und unteren Stempel geklemmt und im Anschluss wird eine Relativbewegung

20 zwischen Matrizen und Stempeln durchgeführt. Durch die Relativbewegung wird an der jeweiligen Kontaktstelle die lokale Eigenschaft (Dicke des platten förmigen Halbzeugs und/oder Kaltverfestigung) lokal definiert beeinflusst.

Der Unterschied zu der beschriebenen BDD-Methode liegt bei dieser Variante

25 in der Geometrie der zwei Stempel und der zwei Matrizen. Da nur an den vor gegebenen Positionen, die bevorzugt linienförmigen Konturen folgen, eine Konditionierung stattfinden soll, kann beispielsweise eine Werkzeuggeometrie ohne durchgehende linienförmige Konturausbildung und Konditionierung ge nutzt werden.

BO

Bei dieser Variante kann sowohl eine separate Konditionierungseinheit, als auch eine als Vorstufe in der Tiefziehpresse integrierte Konditioniereinheit eingesetzt werden.

35 Mit Hilfe dieser Variante kann maximal eine Kontur entlang eines geschlosse- nen Linienzugs beeinflusst werden. Die Beeinflussung weiterer Konturen, kann mit dieser Variante nur mittels eines zweiten Konditionierungswerkzeugs in einer zweiten Konditioniereinheit oder einer weiteren Konditionierstufe in einem Tiefziehwerkzeug beeinflusst werden. Diese Defizite können mithilfe der im Folgenden beschriebenen Variante 1.2 ausgeglichen werden.

Variante 1.2: Konditionierung mit (konditionierungs-) konturnahem Konditio nierwerkzeug

Diese Variante funktioniert grundsätzlich gleich wie Variante 1.1. Der Unter schied liegt lediglich in der Konditionierwerkzeuggeometrie. Das Konditio nierwerkzeug gemäß Variante 1.1 ist auf die Konditionierung einer Eigenschaft entlang maximal eines geschlossenen Linienzugs (Kontur) begrenzt. Mit dieser Variante kann an mehreren Positionen gleichzeitig die jeweils geforderte(n) Eigenschaft(en) beeinflusst werden. Diese Lösung setzt eine dreidimensionale Geometrie des Konditionierwerkzeugs (siehe Figur 3) voraus. Die Stempelstif te oben/unten greifen durch Bohrungen durch die jeweilige Matrizengeomet rie. Somit kann das plattenförmige Halbzeug zwischen den Blechhaltern und dem Stempel des Konditionierwerkzeugs geklemmt werden (vgl. Variante 1.1). Anschließend führt wiederum z.B. der Stempel eine alternierende Bewegung in zwei Richtungen einer Achse aus. Die Matrizenhalten das plattenförmige Halbzeug geklemmt.

Durch das Wechselbiegen um die dreidimensionale Geometrie des Konditio nierwerkzeugs können auch lokal definiert Eigenschaften, die zum Beispiel zwei geschlossene Linienzüge einer Kontur enthalten, mithilfe eines Konditio nierwerkzeugs beeinflusst werden. Das Konditionierwerkzeug kann wiederum wahlweise in einer Konditioniereinheit außerhalb des Tiefziehwerkzeugs oder als Vorstufe im Tiefziehwerkzeug eingesetzt werden.

Variante 2: Flexible Konditionierung

Diese Variante zeichnet sich durch eine geometrisch sehr flexible Konditionie rung außerhalb eines Umformwerkzeugs aus. Eine Konditioniereinheit besteht bei dieser Variante aus einem Konditionierwerkzeug, einer zusätzlichen Mög lichkeit zur Positionierung des Konditionierwerkzeugs, beispielhaft mit Tripods umgesetzt, und einer ortsfesten Auflage. Die Tripods positionieren die Kondi tionierwerkzeuge (oben/unten) hauptsächlich in der x und y Ebene über die Oberfläche eines plattenförmigen Halbzeugs in Bezug zu vorgegebenen Posi tionen und es wird lokal definiert die jeweilige geforderte Eigenschaft mithilfe

5 einer Wechselbiegebeanspruchung an den jeweiligen Positionen beeinflusst (Figur 4). Es besteht auch die Möglichkeit, das System zu invertieren, so dass das plattenförmige Halbzeug bewegt wird und das jeweilige Konditionier werkzeug an einer festen Position fixiert gehalten ist.

10 Mithilfe einer so beschriebenen Konditioniereinheit ist es möglich, an ver schiedenen Positionen eines plattenförmigen Halbzeugs lokal definiert min destens eine Eigenschaft mit unterschiedlichem Betrag zu beeinflussen. Das hierfür eingesetzte Konditionierwerkzeug besteht, wie bereits die Konditio nierwerkzeuge, die bei den Varianten 1.1 und 1.2 eingesetzt werden können,

15 aus zwei Stempel- und zwei Matrizenbauteilen. Die geometrische Flexibilität des Verfahrens kann durch die „punktförmige" Ausführung der Werkzeugkon taktflächen erreicht werden.

Zur Beeinflussung der jeweils geforderten Eigenschaften würde beispielsweise

20 das plattenförmige Halbzeug oder das jeweilige Konditionierwerkzeug an alle mit einem Kreuz markierten Positionen positioniert werden (siehe Figur 5), um dort entsprechend die lokal definiert gewünschte(n) Eigenschaft(en) zu beeinflussen.

25 Die Eigenschaften der nahezu ebenen plattenförmigen Halbzeuge können gezielt lokal und präzise definiert für das jeweilige durch Umfor men/Tiefziehen herzustellende Blechbauteil und dem dazugehörigen Werk stoff angepasst werden. Somit sind die Prozessgrenzen erweiterbar oder die Eigenschaften des Bauteils können gezielt lokal definiert eingestellt werden.

BO

Nachfolgend soll auf mögliche Vorgehensweisen bei der Bestimmung vorge gebener Positionen zur Beeinflussung von mindestens einer Eigenschaft eines tiefgezogenen Blechbauteils näher eingegangen werden. Die Erfindung hat das Ziel des lokalen Eigenschaftsdesigns einer Platine als Halbzeug vor einem Umformen/Tiefziehen. Ausgangspunkt ist der Eigen schaftsbedarf entweder für den Umformprozess - Thema A - oder für das fer tige Bauteil - Thema B. Die Berechnung der Bereiche mit angepassten Eigen schaften wird abgeleitet aus der numerischen Simulation des Tiefziehens (A) bzw. der Bauteillasten im Gebrauch (B).

In der Prozessentwicklung sind verschiedene Konditionierparameter zu be stimmen:

• Allgemein: Form der Kontaktflächen des Konditionierwerkzeugs

• Anzahl, Amplitude und Frequenz der Wechselbiegungen für die Kondi tionierung

• Klemmkraft zwischen den oberen und unteren Werkzeugelementen für die Konditionierung

• (Allgemein: Zeitliche Verläufe von Weg und Kraft der sich relativ zuei nander bewegenden Komponenten einer Konditioniereinheit für die Konditionierung)

Grundsätzlich kann bei der Durchführung aller Prozessvarianten gleich vorge gangen werden. Es werden initiale lokale Eigenschaften am jeweiligen platten förmigen Halbzeug definiert, ein Zielkriterium auf Basis der elastisch plastischen Simulation des Tiefziehens (A) oder der Simulation der zu berück sichtigenden Bauteillasten im Gebrauch (B) definiert und eine Optimierung durchgeführt, bis das Zielkriterium bei der Beeinflussung der jeweiligen Eigen schaften) erreicht worden ist. Die Schritte zur Berechnung des Eigenschafts bedarfs können wie folgt aufgeteilt werden (Schritt 3 wird nur im Fall von Thema (B), wenn auch eine bei einem Betrieb eines umgeformten bzw. tiefge zogenen Blechbauteils auftretende Belastung berücksichtigt werden soll, durchgeführt):

1. Initiale Definition der lokalen Eigenschaften innerhalb der Außenkon tur eines plattenförmigen Halbzeugs (Konditionierung)

2. Durchführung einer Prozesssimulation (Tiefziehen) mit plattenförmi gem Halbzeug mit lokalen Eigenschaften (Thema A)

3. Durchführung einer Simulation der Bauteillasten im Gebrauch des Blechbauteils (Thema B) 4. Ermittlung der Zielgrößen aus den Ergebnissen der Simulation (Thema A) oder (Thema B)

5. Abgleich mit vorgegebenen Zielgrößen

6. Anpassung der lokalen Eigenschaften innerhalb der Außenkontur eines

5 plattenförmigen Halbzeugs (Konditionierung) auf Basis von Schritt 5

7. Wiederholung von Schritt 2 bis 6 bis vorgegebene Zielgröße oder ein Abbruchkriterium erreicht ist

Beispielsweise kann zur Lösung von Thema A lokal, im Bereich eines Hotspots, oder global auf dem gesamten Blechbauteil die Mindestblechdicke nach dem

10 Tiefziehen als Zielgröße definiert werden. Als lokale Eigenschaft kann zum Beispiel die Kaltverfestigung am plattenförmigen Halbzeug definiert werden. Ort und Betrag der Eigenschaftsverteilung am plattenförmigen Halbzeug wer den während der Optimierung solange angepasst, bis die Zielgröße auf dem Blechbauteil erfüllt ist. Zur Lösung von Thema B wird gleich vorgegangen. Es

15 werden allerdings lokale oder globale Zielgrößen hinsichtlich der Reaktion auf die zu erwartende Betriebslast vorgegeben. Zum Beispiel können dies die Ver formung oder die Spannungsverteilung im Blechbauteil sein.

Die Konditionierparameter zur Einstellung der lokal definierten Eigenschaften

20 können beispielsweise mithilfe einer numerischen Simulationsberechnung des Konditionierprozesses und einer Optimierungsschleife bestimmt werden. Da bei gibt das Ergebnis der elastisch-plastischen Simulation die geforderte Ei genschaft auf dem plattenförmigen Halbzeug wider. In einer Optimierung werden die Konditionierparameter solange angepasst, bis die geforderte lokal

25 definierte Eigenschaft unter gewissen Zielen, wie z.B. kürzeste Prozesszeit erreicht worden ist.

Zur Ermittlung des Eigenschaftsbedarfs ist vor allem die Definition der lokalen Eigenschaft(en) an dem plattenförmigen Halbzeug ausschlaggebend. Grund

BO sätzlich kann die zur Prozesssimulation verwendete Diskretisierung (9) des plattenförmigen Halbzeugs mit finiten Elementen (FE) genutzt werden, um die lokal definierten Eigenschaften zu bestimmen (Figur 6).

Die einfachste Möglichkeit die jeweilige Eigenschaft zu definieren besteht da- rin, jedem Element auf dem plattenförmigen Halbzeug den Betrag der zu be stimmenden Eigenschaft zuzuweisen. Diese Methode hat jedoch zwei Nach teile:

1. Die Anzahl an zu bestimmenden Parametern wächst mit der Anzahl der Elemente (pro Element wird ein Parameter benötigt). Die Diskreti- sierung kleiner Blechbauteile mit geringer Komplexität kann bereits mehrere tausend Elemente umfassen und führt dementsprechend auf Optimierungsprobleme mit einer hohen Anzahl an Parametern.

2. Das Ergebnis der Berechnung des Eigenschaftsbedarfs kann Unstetig keiten der Eigenschaft und lokal hohe Gradienten hinsichtlich der Ei genschaft des plattenförmigen Halbzeugs aufweisen. Es können sich zum Beispiel zwei benachbarte Elemente im Betrag der jeweiligen Ei genschaft maximal unterscheiden. Dieser Zustand ist nicht nur meist physikalisch inkorrekt, sondern auch in der Realität nicht realisierbar, da hinsichtlich der Lokalität Grenzen gesetzt sind.

Eine Möglichkeit die lokalen Eigenschaften (f(x,y)) auf dem plattenförmigen Halbzeug qualitativ zu beschreiben, stellt eine Summe von n Radial-Basis- Functions (RBF) Kernen dar:

Ein RBF-Kern klingt ausgehend von seinem Zentrum in x und y Richtung ab. Der lokale Einflussbereich auf die Eigenschaft in x und y Richtung des jeweiligen Kerns lässt sich mit den Parametern _i und g _n beeinflussen

Für die globale Beschreibung der jeweiligen lokalen Eigenschaft auf dem plat tenförmigen Halbzeug können beispielsweise in regelmäßigen Abständen n RBF-Kerne, definiert über die jeweiligen Zentren 10, innerhalb der Außenkon tur des plattenförmigen Halbzeugs verteilt (siehe Figur 9) werden.

Während der Optimierung können dann die «.Gewichte ( _f ) für jeden der«. Kerne bestimmt werden. Somit lässt sich lokal definiert die jeweilige Eigen schaft für alle (finiten) Elemente 9 für die (FEM) Simulation mit n Parametern beschreiben und die Anzahl der Parameter deutlich reduzieren. Die Konditionierungsparameter für Variante 2 setzen sich konkret wie folgt zusammen:

• Form der Kontaktflächen

• Koordinaten (x _Ä und y _K ) 8 der jeweiligen vorgegebenen Positionen pro

5 Konditioniervorgang

• Anzahl, Amplitude und Frequenz der Wechselbiegungen pro Konditio niervorgang an bzw. im Bereich der jeweiligen vorgegebenen Positio nen

• Klemmkraft zwischen den oberen und unteren Konditionierwerkzeu

10 gelementen pro Konditioniervorgang

• (Allgemein: Zeitliche Verläufe von Weg und Druckkraft der sich relativ zueinander bewegenden Komponenten pro Konditioniervorgang)

Grundsätzlich sollten zur Sicherstellung der Umformbarkeit und Vermeidung von Rissbildung scharfe Übergänge der einzustellenden Eigenschaften ver

15 mieden werden. Dementsprechend bieten sich konvexe Oberflächen der Kon taktflächen, wie z.B. eine Halbkugelform, zur Beeinflussung der Eigen- schaft(en) an. Die Oberfläche der Kontaktfläche(n) eines Konditionierwerk zeugs kann grundsätzlich aber eine beliebige Form aufweisen.

20 Für die Koordinaten der jeweiligen vorgegebenen Positionen der Konditio niervorgänge werden alle Zentren der RBF-Kerne verwendet, die ein Gewicht W _j > einem definiertem Grenzwert (e) aufweisen. Die restlichen Konditionier parameter können mithilfe einer elastisch-plastischen Simulation des Konditi onierprozesses berechnet werden. Dabei stellt das Ergebnis der Simulation die

25 geforderte Eigenschaft dar. In einer Optimierung können die Konditionierpa rameter solange angepasst werden, bis die geforderte lokal definierte Eigen schaft unter gewissen Zielen, z.B. kürzeste Prozesszeit, erreicht worden ist.

Das Konditionierwerkzeug kann dann in Bezug zur jeweiligen vorgegebenen Position positioniert und mit den ermittelten Konditionierparametern die ge

BO wünschte Eigenschaft eingestellt werden, bis die geforderte Konditionierung an einer Kontur erreicht ist.

Mit den Figuren sollen beispielhaft Möglichkeiten zur Durchführung des Ver fahrens verdeutlicht werden. Dabei können Merkmale unabhängig vom jewei- ligen Beispiel oder Darstellung miteinander kombiniert werden.

Dabei zeigen:

Figur 1 ein Beispiel eines plattenförmigen Halbzeugs, bei dem an vorgegebe nen Positionen eine Beeinflussung einer lokalen Eigenschaft erfolgt ist;

Figur 2a ein Beispiel eines plattenförmigen Halbzeugs mit einem entspre chend an Aktivflächen konturierten ebenen Konditionierwerkzeug;

Figur 2b eine Schnittdarstellung eines Beispiels eines plattenförmigen Halb zeugs mit einem entsprechend an Aktivflächen konturierten ebenen Konditio nierwerkzeug;

Figur 3a ein Beispiel eines plattenförmigen Halbzeugs mit einem entspre chend an Aktivflächen dreidimensional konturierten Konditionierwerkzeug;

Figur 3b eine Schnittdarstellung eines Beispiels eines plattenförmigen Halb zeugs mit einem endsprechend an Aktivflächen dreidimensional konturierten Konditionierwerkzeug;

Figur 3c eine dreidimensionale Darstellung der unteren Hälfte eines dreidi mensional konturierten Konditionierwerkzeugs;

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Tripods und Schnittdarstellung eines Beispiels eines plattenförmigen Halbzeugs mit einem punktuell wirksa men Konditionierungswerkzeug;

Figur 5 ein Beispiel eines plattenförmigen Halbzeugs mit vorgegebenen Positi onen einer lokalen Eigenschaft und Positionen zur Konditionierung eines plat tenförmigen Halbzeugs nach Variante 2;

Figur 6 ein Beispiel eines plattenförmigen Halbzeugs mit vorgegebenen Positi onen einer lokalen Eigenschaft mit schematischer, beispielhafter Darstellung einer für die FE erzeugten Diskretisierung und beispielhafter Positionen von RBF-Zentren.

In Figur 1 ist ein Beispiel eines plattenförmigen Halbzeugs 1 gezeigt, bei dem an vorgegebenen Positionen 2.1 und 2.2 eine Beeinflussung (Konditionierung) mindestens einer gewünschten Eigenschaft entsprechend einer Kontur 2.3 und 2.4 vorgenommen worden ist. Dabei sind Bereiche des plattenförmigen Halbzeugs 1, die einer Kontur 2.1 und 2.2 folgen mittels Druckkraftwirkung und von mit Konditionierwerkzeugen, bei einer Wechselbiegeumformung zu rück gelegten Wegen, zu beeinflussen. Wie Figur 1 zu entnehmen ist, können unterschiedliche Oberflächenbereiche mit unterschiedlicher Konturen 2.1 und 2.2 beeinflusst werden, um die Verhältnisse während des Tiefziehprozesses und/oder lokal zu erwartende Belastungen an einem fertig hergestellten Blechbauteil zu berücksichtigen. Die jeweils ausgebildete Kontur 2.3 bzw. 2.4 weist an ihren Rändern einen Übergangsbereich auf. Dabei handelt es sich bei der Kontur 2.1 um eine entlang mindestens eines offenen Linienzugs ausge bildete Kontur und bei der Kontur 2.2 um eine geschlossene Kontur um einen Oberflächenbereich.

In den Figuren 2a und 2b ist schematisch gezeigt, wie die Stempel 3.1 und 3.2 als Teil eines Konditionierwerkzeugs 3 (vgl. Variante 1.1) an einer Oberfläche eines plattenförmigen Halbzeugs 1 wirken können, um eine gewünschte Ei genschaftsveränderung an vorgegebenen Positionen zu erreichen. Das plat tenförmige Halbzeug 1 ist dabei an seinen äußeren Rändern mittels zwei Mat rizen 3.3 und 3.4 eines Konditionierwerkzeugs 3 fixiert und kann mit im Inne ren dazwischen angeordneten Bereich mittels Druckkraftwirkung und Bewe gung des einen oder mehrerer Stempel(s) 3.1 und/oder 3.3 lokal definiert be einflusst und dazu verformt werden.

Das in den Figuren 3a bis 3c gezeigte Konditionierwerkzeug (vgl. Variante 1.2) ist so aufgebaut, dass ein plattenförmiges Halbzeug 1 zwischen einem den Stempelstiften 4.5 in den Stempeln 4.1 und 4.2 fixiert gehalten ist. Die lokal definierte Beeinflussung kann mithilfe der dreidimensional konturierten Ober flächen 4.6 der Matrizen 4.3 und 4.4 in Kombination mit den in die Stempel 4.1 und 4.2 integrierten Stempelstiften 4.5 erreicht werden. Die stiftförmigen Teilwerkzeuge 4.5 können gemeinsam durch die Bewegung des jeweiligen Stempels 4.1 oder 4.2 in Richtung einer Oberfläche des plattenförmigen Halb zeugs 1 und in die dazu entgegengesetzte Richtung bewegt werden. Die stift förmigen Stempelstifte 4.5 als eine Art von Teilwerkzeugen sind so zueinan der, zu der dreidimensionale Oberflächenkontur der Matrizen 4.3 und 4.4 und in Bezug zur Oberfläche des plattenförmigen Halbzeugs 1 angeordnet, dass mit ihnen Verformungen an bzw. im Bereich vorgegebener Positionen durch geführt werden können. Dabei können die Höhenprofile der dreidimensiona- len Oberflächenkonturierung 4.6 unterschiedlich ausgeprägt sein, um dadurch unterschiedliche Verformungen erreichen zu können. Die stiftförmigen Teil werkzeuge 4.5 weisen dabei eine konstante Länge auf, mit denen dann ein jeweils gleicher Weg bei einer Konditionierung zurückgelegt werden kann.

In Figur 4 ist eine Konditioniereinheit mit einem Konditionierwerkzeug (vgl. Variante 2) und einer beispielhaften Bewegungseinheit 7 mit Tripod zur Be wegung des Konditionierwerkzeugs über das plattenförmige Halbzeug 1 ge zeigt, bei der ein plattenförmiges Halbzeug 1 auf einer Auflage 6 aufliegt und zwischen zwei Stempeln 5.1 und 5.2 und zwei Matrizen 5.3 und 5.4 angeord net ist. Das Konditionierwerkzeug 5 bestehend aus den Stempeln 5.1 und 5.2 und den Matrizen 5.3 und 5.4 stützt sich jeweils auf einem Tripod ab und kann zur Ausübung einer Biegewechselbeanspruchung oder für eine lokal definierte Verformung über das plattenförmige Halbzeug 1 bewegt werden, um entspre chende Druckkräfte auf die jeweilige Oberfläche des plattenförmigen Halb zeugs 1 ausüben zu können.

Das Konditionierwerkzeug, zwischen welchem das plattenförmige Halbzeug 1 angeordnet ist, ist mit jeweils zwei Stempeln 5.1 und 5.2, die zwischen zwei Matrizen 5.3 und 5.4 angeordnet sind, gebildet. Die Stempel 5.1 und 5.2 wei sen jeweils eine konvex in Richtung plattenförmiges Halbzeug 1 ausgebildete dreidimensional geformte Oberfläche als eine Aktivfläche auf, mit denen Druckkräfte auf die jeweilige Oberfläche des plattenförmigen Halbzeugs 1 ausgeübt werden können.

In Figur 5 ist ein Beispiel eines plattenförmigen Halbzeugs 1 gezeigt, bei dem an vorgegebenen Positionen 2.1 und 2.2 eine lokale Eigenschaft erzeugt wer den soll. Die Positionen 8 sind jene Stellen an denen das Konditionierungs werkzeug 5 nach Variante 2 positioniert werden kann, um mittels Druckkraft wirkung und Bewegung der Stempel 5.1 und 5.2 und Matrizen 5.3 und 5.4 das plattenförmige Halbzeug 1 lokal zu verformen.

In Figur 6 soll verdeutlicht werden, wie eine Oberfläche eines plattenförmigen Halbzeugs 1 in einzelne diskrete Elemente 9 zur Durchführung einer FEM- Berechnung aufgeteilt werden kann, um damit vorgegebene Positionen zur Änderung lokaler Eigenschaften zu bestimmen. Eine Alternative dazu zeigen die Zentren der RBF-Kerne 10 an der Oberfläche eines plattenförmigen Halb zeugs 1 die beispielhaft in einem zweidimensionalen äquidistanten Muster festgelegt werden können, um damit vorgegebene Positionen, an denen eine bestimmte Beeinflussung vor dem Tiefziehen durchgeführt werden soll, be stimmen zu können.

Mit Konditionierwerkzeugen, wie sie in den Figuren 2 bis 4 gezeigt sind, kann ein plattenförmiges Halbzeug 1 so bearbeiten werden, wie es in Figur 1 darge- stellt ist. Dabei können die Konturen 2.3 und/oder 2.4 auch durch punktuelle

Druckkraftwirkung ausgebildet werden. Dabei wirken Aktivflächen von Stem peln 5.1 und 5.2 an diskret zueinander aber in einer Linienanordnung auf die Oberfläche des plattenförmigen Halbzeugs 1, wie es mit den Kreuzdarstellun gen an diskreten Positionen 8 in Figur 5 veranschaulicht ist.

Bezugszeichen

1 plattenförmiges Halbzeug

2.1 vorgegebene Position

2.2 vorgegebene Position

2.3 Kontur

2.4 Kontur

3 Konditionierwerkzeug nach Variante 1.1 bestehend aus mindestens:

3.1 Stempel

3.2 Stempel

3.3 Matrize

3.4 Matrize

4 Konditionierwerkzeug nach Variante 1.2 bestehend aus mindestens:

4.1 Stempel

4.2 Stempel

4.3 Matrize

4.4 Matrize

4.5 Stempelstift

4.6 Oberflächenkonturierung

5 Konditionierwerkzeug nach Variante 2 bestehend aus mindestens:

5.1 Stempel

5.2 Stempel

5.3 Matrize

5.4 Matrize

6 Auflage

7 Bewegungseinheit

8 diskrete Position

9 diskretes Element

10 Zentrum RBF-Kern