[Beschreibung] [Stand der Technik Die Erfindung betrifft ein EDV-unterstütztes Verfahren für die Verformung von flachen Körpern wie Bleche, Platten-in unregelmäßig gekrümmte, insbesondere dreidimensionale Gegenstände. Das sind z. B. Abschnitte von Schiffsrümpfen, Gehäuse, Autokarosserien oder Spezialbehälter.

Effektive dreidimensionale Blechumformverfahren sind für dünnwandige Bleche und hohen Stückzahlen bekannt. Flache Bleche werden in Gesenke, die die Endform enthalten, gepresst oder durch Tiefziehen umgeformt. Diese Gesenke sind sehr kostenaufwendig und werden deshalb nur bei hohen Produktionsstückzahlen eingesetzt. Für größere Blechstärken ab 3 mm Dicke sind diese Verfahren nicht geeignet. Einerseits sind die erforderlichen Umformkräfte sehr hoch und andererseits besteht eine Faltenbildungs-und Rissgefahr in den Blechen durch die großen Umformungsgrade.

Bei den bisherigen Verarbeitungsverfahren für sogenannte Starkbleche wird zweidimensional oder gleichmäßig dreidimen- sional (Kegel, Kalotten) gebogen/gewalzt und durch Verbinden einer Vielzahl von Teilstücke (Stückeln) der gewünschte Körper zusammengefügt. Das Verfahren ist sehr aufwendig, ergibt nur räumliche Näherungslösungen und unbestimmte Fe-

stigkeiten, da das Zusammenschweißen starke innere Spannungen erzeugt.

Für die Herstellung von Schiffsrümpfen wird für räumlich geformte Teilstücke eine freie Blechverformung unter einer Presse mit einfachsten Hilfsmitteln durchgeführt. Diese näherungsweise geformten Teilstücke werden dann mittels Hilfsvorrichtungen an die Anschlussstücke am Schiffsrumpf stückweise angepresst, geheftet und anschließend insgesamt verschweißt. Diese Technologie erfordert sehr viel Erfahrung und ist sehr unproduktiv. Sie eignet sich nur für die Einzel- fertigung. Da sie nicht eindeutig reproduzierbar ist, kann man keine höheren Genauigkeiten erreichen.

Es wurde deshalb schon vorgeschlagen (DE OS 198 33 658), die Auflageflächen zur Umformung näherungsweise aus einer Vielzahl von Einzelstützen auszubilden. Diese Einzelstützen sind höhenverstellbar, wodurch eine beliebige räumliche Form erzeugt werden kann. Zur Umformung wird vorgeschlagen diese Einzelstützen nach Auflage des Werkstückes von der Ausgangslage in die gewünschte Endlage durch entsprechende Antriebe zu verfahren. Die Umformung ist aber auch hier durch den maximalen Verformungsgrad (Rissbildung) des zu verarbeitenden Bleches beschränkt.

Zum Stand der Technik gehört weiterhin die Fertigung eines dreidimensionalen Körpers aus einem Block durch einen schichtweisen Abtrag bis zur Endform. Das Abtragwerkzeug wird dabei auf der Basis der Werte des CAD-Programms gesteuert.

Durch dieses System kann somit eine beliebige räumliche Form vollautomatisch hergestellt werden.

[Aufgabe der Erfindung] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem aus flachen Körpern, insbesondere Starkbleche, unregelmäßig, mehrdimensional gekrümmte Gegenstände aus

möglichst wenigen Einzelstücken unter Einhaltung engster Toleranzen gefertigt werden können. Aufgabe ist es weiterhin große und dicke Bleche zu verformen und die vorhandene Rückfederung zu beherrschen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe entsprechend den Merkmalen des Anspruchs eins gelöst.

Die Erfindung geht von der Idee aus, einen flachen, umzuformenden Körper optimal in einzelne Stücke aufzuteilen, die anschließend zu einem Körper verschweißt werden. Die Aufteilung erfolgt durch ein Optimierungsverfahren (Computer- Simulation) mit der Zielstellung maximaler Blechgröße (dadurch weniger Schweißnähte bei der Montage) unter Berücksichtigung der durch die Geometrie der Auflagerflächen begrenzten max. Verformungswinkel. Die so ermittelten einzelnen Stücke werden aus der Platte ausgeschnitten, mit frei verstellbaren Werkzeugen umgeformt und anschließend zu dem gewünschten Körper, Behälter usw. zusammengefügt. Damit wird die Anzahl der Verbindungslinien minimiert.

In weiterer Ausgestaltung wurde das Verfahren so automati- siert, das Vorgaben für die Einstellung von verstellbaren Werkzeugen oder für die Herstellung der gewünschten Kontur von nicht verstellbaren Werkzeugen von dem konstruktiven Datensatz abgeleitet werden. Damit wird die Herstellung kompliziert geformter, bzw. räumlich geformter Bleche unter Einsatz üblicher Pressen effektiv möglich.

Das neue Verfahren nutzt entsprechende CAD-Programme wie Mechanikal Desktop, CADDS5, Pro ENGINEER, CATIA, Solid Works etc., die eine Freiformmodellierung anbieten.

Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Schiffsrümpfen, ringförmigen Plasmagefäßen für physikalische Versuche und andere starkwandige, kurvenförmig-dreidimensionale Behälter.

[Beispiele] Nachfolgend soll das Verfahren an einem Beispiel erläutert werden.

Die Figuren 1 bis 7 zeigen die einzelnen Verfahrensschritte im Prinzip.

Zur Herstellung eines unregelmäßig geformten Behälters aus 10 mm dickem Blech wird die gewünschte Freiformfläche im CAD- Programm modelliert. (Abb. 1) Es erfolgt eine virtuelle Aufteilung der vorgegebenen Flächen auf einzelne Blechstücke unter Berücksichtigung des maximalen Verformungsgrades. (Abb.

2) Das Blech wird einschließend virtuell im Werkzeug positio- niert und seine Lage optimiert. Die X-und Y-Achsen des Werkzeugkoordinatensystems bestimmen die Werkzeugebene und die Z-Koordinaten auf der Blechoberfläche den Abstand von Werkzeugebene. (Abb. 3) Die Werkzeugebene und das Blech werden in Langs-und Quer- richtung mit Abständen a und b unterteilt, dabei sind a und b die jeweiligen Abstände von einzelnem Auflager des verstell- baren Werkzeuges in X-und Y-Richtung oder bei einem festen Werkzeug diskrete Abstände für die Bestimmung dessen Kontur.

(Abb. 4) Es werden für alle Punkte auf der Blechoberfläche mit den Koordinaten X und Y die zugehörige Z-Koordinaten ermittelt und festgehalten. Dabei wird geachtet auf welcher Seite des Bleches diese Ermittlung erfolgen soll (innen oder außen). Diese Soll-Werte dienen zur Konturkontrolle des herzustellenden Bleches nach dem Verformen. Die Konturkon- trolle erfolgt entweder optisch mit Theodoliten oder mittels eines Messtisches, der genauso wie die virtuelle Werkzeugebe- ne relativ zum verformten Blech zum Vermessen ausgerichtet wird. Der Messtisch besitzt demzufolge die selben Koordinaten wie das Werkzeug. Die Ermittlung der Einstellwerte für ein multifunktionales Werkzeug erfolgt nach einer 2D-oder einer 3D-Methode. Bei einer 2D-Methode handelt sich um die Ermitt- lung der Werkzeugeinstellwerte im Schnitt der maximalen

Verformungen. Dabei wird der Auflagerkopf tangential zur Schnittkurve durch die Blechoberfläche in Z-Richtung im betroffenen Auflagerpunkt (n*a ; m*b) modelliert. (Abb. 5) Bei einer 3D-Methode handelt sich um die Ermittlung der Werkzeu- geinstellwerte virtuell im Raum. Dabei wird der Auflagerkopf tangential zur Blechoberfläche in Z-Richtung im betroffenen Auflagerpunkt (n*a ; m*b) modelliert. (Abb. 6) In gleicher Weise werden die Vorgaben sowohl für den Stempel als auch für die Matrize ermittelt. Die so ermittelten Ein- stellwerte für ein verstellbares Werkzeug (Konturenatlas), entsprechen der Idealkontur des Bleches.. Nach dem Probever- formen werden Erkenntnisse über Rückfederung aufgrund des anisotropen Verhalten der Bleche gewonnen. Mittels Simulation wird der Wert der erforderlichen Überbiegung zum Erreichen der Idealkontur bestimmt. Diese Korrekturen werden entspre- chend der angewandten Methode (2D oder 3D) berücksichtigt und das virtuelle Blechmodel angepasst. Mit dem neu eingestellten Werkzeug wird das Blech nachgepresst. Bei sehr komplizierten Konturen ist ggf. ein weiterer Iterationsschritt erforder- lich.

Die sphärisch gekrümmten Bleche werden in einer hydraulischen Presse mit einer Matrize und einem Stempel hergestellt, die gleich aufgebaut sind. (Vorgabe der Einstellung siehe oben) Stempel und Matrize bestehen aus einer Grundplatte, auf der mehrere Auflager angeordnet sind. Diese Auflager sind dadurch gekennzeichnet, dass deren Lage in x-und y-Richtung (Koordi- natenachsen der Grundplatte) verstellbar und deren Höhe in Z- Richtung beliebig einstellbar sind. Die Auflager können je nach Bedarf und Einsatzfall mit statischen oder pendelnden Köpfen unterschiedlicher Geometrie bestückt werden. Die Verstellung der Auflager kann unabhängig voneinander oder nach einem festgelegten Prinzip abhängig voneinander manuell elektrisch, mechanisch oder hydraulisch erfolgen.

Die Ermittlung der Vorgaben für die optimale Vorkonfektionie-

rung der Bleche (Minimierung des Rückfederungsverhal- tens) erfolgt nach folgendem Schema : Es werden virtuelle Längs-und Querschnitte des einzelnen Bleches entlang der Auflagerreihen des Werkzeuges im CAD- Programm erzeugt. Diese Schnitte werden in der X=0 und Y=0- Achse auf jeweils zwei Teile gebrochen und die einzelnen Längen für die so entstandenen Teilschnitte ermittelt. Zu jeder so ermittelten Länge wird ein festgelegter Randbereich dazu addiert. Diese Werte bilden die Abwicklung der herzustellenden Kontur auf dem ebenen Ausgangsblech. (Abb. 7) Es sind auch Vorgaben für die Markierung der Schnittkante zum Schneiden des Bleches nach der Verformung erforderlich. Dafür wird das gleiche Prinzip wie oben beschrieben verwendet.

Zuerst werden die Hauptachsen auf dem verformten Blech markiert. Danach werden die ermittelten Schnittlängen entsprechend deren Lage auf der Oberfläche des verformten Bleches aufgetragen. Der so entstandene Polygonenzug stellt die Schnittkante dar. Zur Überwachung des anschließenden Fertigungsprozesses wird diese Linie als sog. QS-Linie in einem festgelegten Abstand von der Schnittkante auf das Blech übertragen. (Abb. 7)