Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Hochdruckumformung von Werkstücken nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 8.

Zur Herstellung von flächigen Bauteilen durch einen spanlosen Umformprozess werden üblicherweise Pressen verwendet, in denen Umformwerkzeuge eingesetzt sind, um einen Werkstückrohling aufzunehmen und diesen dann durch entsprechende Krafteinwirkung in die gewünschte Form zu bringen. Zur wirtschaftlichen Fertigung von flächigen Bauteilen für den Massenmarkt wird eine hohe Produktivität bei geringen Kosten angestrebt. Für die umformende Fertigung von Wärmetauscherplatten und insbesondere für Bipolarplatten werden verschiedene Verfahren eingesetzt.

Das Hohlprägen bzw. Walzen führt zu hohen Ausbringmengen, bedingt aber Kompromisse hinsichtlich des Kanaldesigns. Kalt- und Warmumformung können zu Bauteilverzug nach Abschluss der Fertigung führen. Schnelle Verfahren wie die elektrohydraulische Umformung oder elektromagnetische Umformung sind für diesen Anwendungsfall noch in der Erforschung.

Insbesondere im Bereich der Umformung von plattenförmigen Werkstücken, wie beispielsweise Blechen, aber auch zur Umformung anderer Werkstücken, wie beispielsweise Rohren, hat sich das Verfahren der Hochdruckumformung etabliert, welches sich durch große Gestaltungsfreiheit bei der Formgebung auszeichnet und sehr hohe Umformgrade ermöglicht. Dabei wird das Halbzeug innerhalb eines Hydroformwerkzeugs über ein Fluid, insbesondere Wasser, Öle, Emulsionen oder auch Gase, mit Druck gegen eine Umformmatrize gepresst, wodurch die Verformung erzielt wird. Das Werkzeug ist dabei in einem Gehäuse eingebracht, welches die Umformkräfte aufnimmt.

Das Umformen mittels Wirkmedium (Hydroforming, Hochdruck-Blechumformung) bietet höchste Bauteilqualität und anspruchsvolle Kanalstrukturen sowie Prozessrobustheit, weist allerdings anderseits eine vermeintlich geringe Produktivität auf. Dies liegt aber in der eingesetzten Anlagentechnik begründet und weniger im Verfahren. Das Ziel der vorliegenden Erfindungsmeldung ist es, die Vorteile der Hochdruck-Blechumformung durch optimale Anlagen- und Verfahrenstechnik auszuschöpfen.

Beschreibung des Stands der Technik

Hydroformwerkzeuge für die Blechumformung bestehen üblicherweise aus einem Werkzeugoberteil, welches die Umformmatrize umfasst, und einem Werkzeugunterteil, in dem eine Leitung zur Beaufschlagung des Werkstücks mit Fluid unter hohem Druck angeordnet ist. Die Umformmatrize kann alternativ auch im Werkzeugunterteil und die Leitung zur Beaufschlagung des Werkstücks mit Fluid kann alternativ auch im Werkzeugoberteil angeordnet sein. Zur Umformung wird das Werkstück, beispielsweise ein Metallblech, zwischen Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil eingespannt, wobei das Werkzeugunterteil über eine Dichtung an dem Werkstück anliegt. Nachfolgend erfolgt die Beaufschlagung des Werkstücks mit dem Fluid unter hohem Druck, wodurch das Werkstück gleichmäßig an die Matrize angepresst wird.

Eine Umformvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der Patentschrift DE 102013020280 B3 bekannt. Darin ist eine Vorrichtung zur Umformung eines Werkstücks mittels eines fließfähigen Wirkmediums offenbart. Die Vorrichtung umfasst ein Formwerkzeug, das eine zur Erzeugung einer Werkstückform ausgebildete Matrize aufweist, und ein Haltewerkzeug, das ein umzuformendes Halbzeug in einer Trennebene zwischen dem Haltewerkzeug und dem Formwerkzeug hält. Durch Aufbringen eines Wirkmediums auf ein in der Trennebene gehaltenes Halbzeug, und mit einer Druckerzeugungseinrichtung zur Druckbeaufschlagung des Wirkmediums wird das Werkstück gemäß dem Formwerkzeug umgeformt. Das Formwerkzeug, das Haltewerkzeug und die Druckerzeugungseinrichtung für den Betrieb sind als Presse ausgebildet.

Oben beschriebene Vorrichtung bringt allerdings auch einige Nachteile mit sich: Die Druckbeaufschlagung des Wirkmediums wird mittels Verdrängung durch die Druckerzeugungseinrichtung durchgeführt. Dies bedeutet eine aufwendige und zeitintensive Druckbeaufschlagung bei geringem Druckniveau. Zusätzlich wird bei herkömmlichen Vorrichtungen, wie der oben genannten, nach dem Schließen der Presse und dem Aufbau der Schließkraft erst anschließend der Druckübersetzer betätigt, der dann das Hochdruckfluid komprimiert und fördert. Je nach Anlagensteuerung können so die Zuhaltekräfte und der Hochdruck erst in gewissen zeitlichen Abständen zueinander gesteuert werden wodurch sich der Umformprozess verzögert. Zudem dauern das Öffnen und Schließen hydraulischer Pressen eine gewisse Zeit.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der T echnik bekannten Probleme zu lösen und eine Vorrichtung zum zeitsparenden Umformen flächiger Bauteile mit hoher Effizienz bereitzustellen.

Zur Lösung der vorstehend definierten Aufgabe offenbart die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung nach Anspruch 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Hochdruckumformung von Werkstücken, insbesondere zur Herstellung von Wärmetauscherplatten und Bipolarplatten, und umfasst eine Form mit einem Formgebungsabschnitt und einem Fluidbecken, zwischen denen das Werkstück zur Hochdruckumformung anordenbar ist. Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß konfiguriert, um in dem Fluidbecken einen Hochdruck-Impuls zu erzeugen, sodass das Werkstück durch den Hochdruck-Impuls gegen den Formgebungsabschnitt gedrängt wird.

Aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich der Vorteil, dass das Werkstück mit oder nach Verschließen der Form umgehend mit einem Hochdruck-Impuls beaufschlagt werden kann. Durch die Möglichkeit der sofortigen Beaufschlagung des Druckimpulses kann eine schnelle Umformung und somit eine hohe Produktivität erreicht werden. Es entfallen zudem die Zeiten für das Befüllen und Entleeren des Fluids, wenn das Fluidbecken gefüllt bleibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Es kann von Vorteil sein, wenn die Vorrichtung wenigstens einen Hochdruck- Fluidspeicher aufweist, wobei der Hochdruck-Impuls zumindest teilweise oder vollständig durch Befüllung des Fluidbeckens mit Hochdruckfluid aus dem Hochdruck-Fluidspeicher erzeugt wird. Das Hochdruckfluid aus dem Hochdruck-Fluidspeicher sorgt bei Einleitung in das Fluidbecken schlagartig für eine Druckerhöhung im Fluidbecken bzw. für den gewünschten Hockdruck-Impuls. Bei dieser sog. „aktiven Variante“ wird der Hochdruck-Impuls durch Erhöhung der Fluidmenge im Fluidbecken erzeugt, vorzugsweise unter Beibehaltung des Volumens des Fluidbeckens. Der im Fluidbecken erzeugte Hochdruck-Impuls führt zu einer gezielten Verformung des Werkstücks, indem das Werkstücks gegen den Formgebungsabschnitt gedrängt wird.

Es kann von Nutzen sein, dass der Hochdruck-Impuls zumindest teilweise oder vollständig durch Verschließen des Fluidbeckens, insbesondere mit dem Werkstück, und Verringern des Volumens des Fluidbeckens, insbesondere mit dem Werkstück, zur Erhöhung des Drucks des im Fluidbecken eingeschlossenen Fluides erzeugt wird. Bei dieser sog. „passiven Variante“ wird der Hochdruck-Impuls durch Verringerung des Volumens des Fluidbeckens erzeugt, vorzugsweise unter Beibehaltung der Fluidmenge im Fluidbecken. Die „aktive Variante“ und die „passive Variante“ können auch kombiniert werden, z.B. indem das Volumen des Fluidbeckens verringert und gleichzeitig die Fluidmenge im Fluidbecken erhöht wird. Bei der „passiven Variante“ dringt beispielsweise das Werkstück in das Fluidbecken ein, ohne dass Fluid aus dem Fluidbecken entweichen kann. Dadurch wird der Fluiddruck im Fluidbecken sprunghaft erhöht. Der dadurch erzeugte Hochdruck-Impuls bewirkt eine gezielte Verformung des Werkstücks, indem das Werkstücks gegen den Formgebungsabschnitt gedrängt wird. Es kann von Vorteil sein, wenn die Form aus einem Unterwerkzeug und einem Oberwerkzeug gebildet ist, wobei vorzugsweise das Oberwerkzeug den Formgebungsabschnitt aufweist und das Unterwerkzeug das Fluidbecken aufweist. Dadurch können die Werkzeuge individuell ausgewählt und zusammengestellt werden um eine gewünschte Form zu erstellen. Zudem können der Formgebungsabschnitt und das Fluidbecken in den Ober- bzw. Unterwerkzeugen je nach Anwendungsfall aufeinander abgestimmt werden.

Es kann von Nutzen sein, wenn der Hochdruck-Fluidspeicher über einen Hochdruck- Kanal mit dem Fluidbecken kommunizieren kann, wobei die Vorrichtung wenigstens ein Hochdruck-Ventil zum Öffnen und Schließen des Hochdruck-Kanals umfasst. Somit kann das Fluidbecken über das Hochdruck-Ventil zielgerichtet mit Hochdruckfluid beaufschlagt werden. Zudem können Hochdruckspeicher und Fluidbecken über den Hochdruck-Kanal örtlich voneinander getrennt werden, um einen hohen Gestaltungsspielraum der Gesamtvorrichtung zu erreichen.

Es kann hilfreich sein, wenn die Vorrichtung eine Transporteinrichtung umfasst, um Werkstücke in die Form und/oder aus der Form zu transportieren, wobei die Transporteinrichtung vorzugsweise als Transportband ausgebildet ist. Somit können Werkstücke und umgeformte Bauteile schonend auf einem (Fließ-)Band befördert werden.

Es kann nützlich sein, wenn die Vorrichtung wenigstens einen Niederdruck- Fluidspeicher aufweist, der über einen Niederdruck-Kanal mit dem Fluidbecken kommunizieren kann, um das Fluidbecken mit Niederdruckfluid zu befüllen, wobei die Vorrichtung bevorzugt wenigstens ein Niederdruck-Ventil zum Öffnen und Schließen des Niederdruck-Kanals umfasst. Der Niederdruck-Kanal dient neben dem Hochdruck-Kanal als Zulauf für das Fluidbecken, überden das Fluidbecken - insbesondere in einem nicht mit Druck beaufschlagten Zustand - mit Fluid unter Niederdruck gespeist werden kann. Das Niederdruck-Ventil ermöglicht das Öffnen und Verschließen des Niederdruck-Kanals vor und nach dem eigentlichen Umformprozess.

Es kann praktisch sein, wenn die Form zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung überführbar ist, wobei die Vorrichtung vorzugsweise ein Presswerk aufweist, bevorzugt ein Kurbel- oder Kniehebelpresswerk, um die Form zwischen der geöffneten Stellung und der geschlossenen Stellung zu überführen, wobei das Presswerk besonders bevorzugt mechanisch oder hydraulisch betätigbar ist. Durch diese Varianten lässt sich das Werkstück gut in die Form einbringen und daraus wieder ausbringen. Durch das Presswerk können hohe Druckkräfte aufgebaut werden, die dem Druck des Hochdruckfluids während der Druckumformung standhalten müssen. Mechanisch oder hydraulisch betätigbare Presswerke lassen sich technisch leicht und wirkungsvoll umsetzen.

Es kann von Vorteil sein, wenn die Form wenigstens eine Entlüftungsöffnung aufweist, um ein beim Umformen des Werkstücks verdrängtes Gas aus dem Formgebungsabschnitt abzuführen. Dadurch wird ein Druckaufbau in dem Formgebungsabschnitt während der Hochdruckumformung vermieden. Im Ergebnis verringert sich der zur Hochdruckumformung erforderliche Druck und das Umformergebnis hinsichtlich Formtreue wird verbessert

Zur Lösung der vorstehend definierten Aufgabe offenbart die vorliegende Erfindung auch ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 12. Es bietet im Wesentlichen die gleichen Vorteile wie die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Hochdruckumformen von Werkstücken, insbesondere unter der Verwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Anordnens eines Werkstücks in einer Form mit einem Formgebungsabschnitt und einem Fluidbecken, sodass das Werkstück zwischen dem Formgebungsabschnitt und dem Fluidbecken angeordnet ist; sowie einen Schritt des Erzeugens eines Hochdruck-Impulses im Fluidbecken, um das Werkstück gegen den Formgebungsabschnitt zu drängen.

In einer vorteilhaften (aktiven) Variante wird der Hochdruck-Impuls zumindest teilweise oder vollständig durch Befüllen des Fluidbeckens mit Hochdruckfluid aus einem Fluidspeicher erzeugt.

In einer weiteren vorteilhaften (passiven) Variante wird der Hochdruck-Impuls zumindest teilweise oder vollständig durch Verschließen des Fluidbeckens, insbesondere mit dem Werkstück, und Verringern des Volumens des Fluidbeckens, insbesondere mit dem Werkstück, zur Erhöhung des Drucks des im Fluidbecken eingeschlossenen Fluides erzeugt.

Es kann auch nützlich sein, wenn das Fluidbecken beim Transport des Werkstücks in die Form und/oder aus der Form zum Überlauf gebracht wird, sodass das Werkstück auf einem Fluidfilm aufschwimmt. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass durch die Oberflächenspannung bzw. die Fließkraft des Fluids ein umgeformtes Bauteil mittels des Fluidfilms aus der Form heraus transportiert werden kann. Weiterhin kann ein kommendes umzuformendes Werkstück auf dem Fluidfilm auch in die Form transportiert werden. Hierdurch können das Werkstück bzw. das umgeformte Bauteil leicht und schonend transportiert werden.

Es kann sinnvoll sein, wenn der Formgebungsabschnitt die Form einer Matrize oder Patrize aufweist. Die Matrize als Formgebungsabschnitt eignet sich insbesondere bei der aktiven Variante, bei der der Hochdruck-Impuls durch Erhöhung der Fluidmenge im Fluidbecken erzielt wird,

Es kann hilfreich sein, wenn die Vorrichtung einen separat zum Formgebungsabschnitt bewegbaren Fixierungsabschnitt aufweist, der dazu konfiguriert ist das Werkstück im Bezug zu dem Fluidbecken zu fixieren. Die Patrize als Formgebungsabschnitt eignet sich insbesondere bei der passiven Variante, bei der der Hochdruck-Impuls durch Verringerung des Volumens des Fluidbeckens zur Erhöhung des Drucks des im Fluidbecken eingeschlossenen Fluides erzielt wird.

Es kann aber auch von Nutzen sein, wenn dem Fluidbecken beim Transport des Werkstücks in die Form und/oder aus der Form Fluid zugeführt wird, vorzugsweise aus einem Niederdruck-Fluidspeicher. Dies sorgt für ein Wiederauffüllen von ausgeschwemmtem Fluid und gewährleistet ein mit Fluid gefülltes Fluidbecken.

Es mag aber auch praktisch sein, wenn ein Druck im Fluidbecken beim Öffnen der Form größer als ist als der Umgebungsdruck. Somit strömt durch das Druckgefälle das Fluid beim Öffnen der Form aus dem Fluidbecken und verstärkt den oben genannten Fluidfilm.

Es kann sich als praktisch erweisen, wenn das Werkstück das Fluidbecken beim Befüllen mit Hochdruckfluid dichtend verschließt. Somit können weitere Dichtmittel eingespart werden.

Es kann sinnvoll sein, wenn das Volumen des Hochdruckfluids, das dem Fluidbecken zur Hochdruckumformung des Werkstückes zugeführt wird, bezogen auf die umzuformende Fläche des Werkstücks maximal 0,02 cm ³ pro cm ² , vorzugsweise maximal 0,01 cm ³ pro cm ² beträgt. Somit kann gewährleistet werden, dass Bauteile wie Wärmetauscherplatten und Bipolarplatten, welche eine aufwendige Kanalstruktur mit geringen Querschnittsmaßen aufweisen, besonders schnell durch die erfindungsgemäße Umformtechnik hergestellt werden können.

Es kann hilfreich sein, wenn ein Druck des Hochdruckfluids im Bereich von 200 bis 500 MPa liegt, vorzugsweise im Bereich von 300 bis 500 MPa, bevorzugt im Bereich von 400 bis 500 MPa. Mit Drücken in den genannten Druckbereichen können durch Hochdruckumformung besonders feine Strukturen hergestellt werden.

Es kann sinnvoll sein, wenn ein Druck des Niederdruckfluids im Bereich von 1 bis 10 MPa liegt, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 10 MPa, bevorzugt im Bereich von 5 bis 10 MPa. Derartige Drücke lassen sich im Vergleich zu den für Hochdruckumformung erforderlichen Drücken vergleichsweise einfach erzeugen und kurzfristig bereitstellen. Dadurch vereinfacht sich die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Weitere bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der Merkmale, die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbart sind.

Begriffe und Definitionen

Der Begriff „Fluidbecken“ umfasst eine Fluidkammer, die bei bestimmungsgemäßer Anordnung des umzuformenden Werkstücks zu diesem exponiert ist bzw. von dem Werkstück verschlossen wird, sodass der Druck des eingeleiteten Hochdruckfluids auf das Werkstück wirkt und dieses gegen den Formgebungsabschnitt drückt. Die Form der Fluidkammer und deren Anordnung bzgl. des Werkstück sind dabei sekundär. Der Begriff „Fluidbecken“ wird in der Einzahl stellvertretend für eine einzelne Fluidkammer oder mehrere Fluidkammern verwendet. Das Fluidbecken kann sich zumindest abschnittsweise unterhalb und/oder zumindest abschnittsweise oberhalb des Werkstücks und/oder zumindest abschnittsweise seitlich neben dem Werkstück befinden. Vorzugsweise weist das Fluidbecken eine oberseitige Öffnung auf, die bei bestimmungsgemäßer Anordnung des umzuformenden Werkstücks von dem Werkstück verschlossen wird. Idealerweise verbleibt das Fluid beim Entfernen des Werkstücks aus der Form zumindest weitgehend im Fluidbecken. Idealerweise liegt der Beckenrand des Fluidbeckens in einer horizontalen Ebene.

Der Begriff „Befüllen“ ist so zu verstehen, dass Hochdruckfluid aus dem Hochdruck- Fluidspeicher in das Fluidbecken eingeleitet wird, sodass der Druck des Hochdruckfluids auf das Werkstück wirkt und dieses gegen den Formgebungsabschnitt drückt. Der Füllzustand des Fluidbeckens zu Beginn der Einleitung des Hochdruckfluids aus dem Hochdruck- Fluidspeicher in das Fluidbecken spielt dabei keine Rolle. Es ist bevorzugt, dass das Fluidbecken zu Beginn der Einleitung des Hochdruckfluids aus dem Hochdruck-Fluidspeicher in das Fluidbecken bereits teilweise befüllt ist. Dadurch verringert sich die zur Hochdruckumformung erforderliche Menge an Hochdruckfluid - und somit die zur Befüllung des Fluidbeckens erforderliche Zeitdauer. Es ist aber auch möglich, dass das Fluidbecken, insbesondere bei der erstmaligen Anwendung oder bei Wiederinbetriebnahme nach Wartung, ausgehend von einem vollständig leeren Zustand befüllt wird.

Kurze Beschreibung der Figuren

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzip-Skizze eines Schnittes durch die Vorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Zustand vor dem Umformprozess. Fig. 2 eine Prinzip-Skizze eines Schnittes durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 in einem Zustand während des Umformprozesses.

Fig. 3 eine Prinzip-Skizze eines Schnittes durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 in einem Zustand nach dem Umformprozess.

Fig. 4 eine Prinzip-Skizze eines Schnittes durch eine Vorrichtung gemäß dem zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Zustand vor dem Umformprozess.

Fig. 5 eine Prinzip-Skizze eines Schnittes durch die Vorrichtung gemäß Fig. 4 in einem Zustand während des Umformprozesses.

Fig. 6 eine Prinzip-Skizze eines Schnittes durch die Vorrichtung gemäß Fig. 4 und 5 in einem Zustand nach dem Umformprozess.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine Prinzip-Skizze eines Schnittes durch die Vorrichtung zur Hochdruck Umformung von flächigen Bauteilen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung stellt eine Presse dar, die auf einer Aufspannplatte 1 bzw. einem Pressentisch 1 als Gestell der Presse angeordnet ist. Die Presse besteht im Wesentlichen aus einem Unterwerkzeug 2 und einem Oberwerkzeug 3. Das Unterwerkzeug 2 ist auf der Aufspannplatte 1 angeordnet und bei Bedarf an diese fixiert. Das Oberwerkzeug 3 befindet sich über dem Unterwerkzeug 2 und ist konfiguriert, um auf das Unterwerkzeug 2 aufgesetzt zu werden. Das Unterwerkzeug 2 und das Oberwerkzeug 3 sind derart angeordnet, dass die Unterseite des Oberwerkzeugs 3 mit der Oberseite des Unterwerkzeugs 2 zusammengeführt werden können.

Die Presse umfasst ein Presswerk bzw. einen Mechanismus, der das Oberwerkzeug 3 und das Unterwerkzeug 2 zueinander führen, zusammenpressen und voneinander wegbewegen kann. In Fig. 1 zeigt die Presse in einem geöffneten Zustand vor dem Umformprozess. Die Presse kann bevorzugt mechanisch oder hydraulisch geschlossen und geöffnet werden, so dass das Unterwerkzeug 2 mit dem Oberwerkzeug 3 zusammen- und voneinander weggeführt werden kann. Hierbei ist durch die Pfeile eine Bewegung des Oberwerkzeugs 3 in vertikaler Richtung angezeigt. Auch eine vertikale Bewegung des Unterwerkzeugs 2 kann für die vorliegende Presse vorgesehen sein. Zudem ist ein Klappmechanismus mit Scharnieren denkbar, über den das Unterwerkzeug 2 und das Oberwerkzeug 3 zusammenführbar verbunden sind.

Das Oberwerkzeug 3 umfasst an der dem Unterwerkzeug 2 zugewandten Seite einen als Matrize 4 ausgebildeten Formgebungsabschnitt. Die Matrize 4 ist derart geformt, dass sie eine Negativform eines umzuformenden Bauteils aufweist. Die Matrize 4 kann dabei eine Formkontur oder auch lediglich eine Gravur zur Erzeugung der Bauteilform aufweisen. Die Matrize 4 verläuft nahezu über die gesamte Länge des Oberwerkzeugs 3. Die Tiefe der Matrize 4 entspricht der Tiefe des umzuformenden Bauteils. Das Oberwerkzeug 3 und das Unterwerkzeug 2 sind derart geformt, dass sie in einem zusammengepressten Zustand miteinander abdichten und einen abgedichteten Raum im Inneren der Presse bilden.

Zwischen das Unterwerkzeug 2 und das Oberwerkzeug 3 wird vor einem Umformungsprozess ein umzuformender Werkstückrohling 8 eingesetzt und auf der Oberseite des Unterwerkzeugs 2 aufgebracht. Die Maße der Unter- und Oberwerkzeuge 2, 3 sind derart gewählt, dass keine Enden des Werkstückrohlings 8 über die Ränder der Unter- und Oberwerkzeuge 2, 3 herausragen. Somit kann eine Dichtigkeit der Presse gewährleistet werden. Zusätzlich sind die Maße der Matrize 4 derart gewählt, dass die Fläche der Formkontur der Matrize 4 in einer Draufsicht in Gänze über der Fläche des Werkstückrohlings 8 angeordnet ist.

Das Unterwerkzeug 2 weist an dessen Oberseite ein Fluidbecken 5 auf. Das Fluidbecken 5 ist unterhalb der Matrize 4 angeordnet, wenn das Unterwerkzeug 2 und das Oberwerkzeug 3 zusammengeführt sind. Die Maße des Fluidbeckens 5 sind derart gewählt, dass der Werkstückrohling 8, der über dem Fluidbecken platziert wurde, das Fluidbecken 5 in Gänze abdeckt. Zusätzlich ist das Fluidbecken 5 derart geformt, dass die Fläche des Fluidbeckens 5 des Unterwerkzeugs 2 in einer Draufsicht die Enden der Fläche der Formkontur der Matrize 4 einschließt. Somit ragen in einer Draufsicht keine Ränder der Formkontur der Matrize 4 über die Ränder des Fluidbeckens 5 heraus.

Das Fluidbecken 5 weist ferner einen Hochdruck-Fluidanschluss 6 auf. Der Hochdruck- Fluidanschluss 6 dient als Zulauf für das Fluidbecken 5, über den das Fluidbecken 5 mit Fluid unter Hochdruck von mehr als 500 MPa gespeist werden kann. Der Hochdruck-Fluidanschluss 6 ist ein Hochdruckventil, welches an einem Hochdruckhydrauliksystem mit einem Hochdruckspeicher angeschlossen ist. Hierbei ist das Hochdruckhydrauliksystem derart gestaltet, dass es die Merkmale eines Common-Rail-Einspritzaggregates aufweist. Das heißt, dass das Hochdruckhydrauliksystem mit dem Hochdruckspeicher (common rail) permanent Hochdruck zur Verfügung stellt und diesen bei Bedarf durch das Hochdruckventil zum Druckaufbau nutzen kann. Der Hochdruck-Fluidanschluss 6 ist somit derart konfiguriert, dass dieser während des Umformprozesses bei geschlossener Presse das Fluidbecken 5 mit einem Hochdruck-Impuls beaufschlagen kann, um das Werkstück 8 gegen den Formgebungsabschnitt zu drängen und umzuformen. Nachdem das Werkstück 8 umgeformt wurde, wird das Ventil des Hochdruck-Fluidanschlusses 6 geschlossen, wodurch das Fluidbecken 5 nicht mehr mit Überdruckfluid beaufschlagt wird, ein Überdruck im Fluidbecken jedoch aufrecht erhalten bleibt.

Wärmetauscherplatten und insbesondere Bipolarplatten sind derart auszulegen, dass sie eine große Wärmeübertragungsfläche aufweisen. Dieses wird durch eine aufwendige Kanalstruktur innerhalb der Wärmetauscherplatte erreicht. Hierbei weisen die Kanäle geringe Querschnittsmaße auf. Für derartige Bauteile sind das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung vorteilhaft, da diese Bauteile bezogen auf die Grundfläche ein sehr geringes Umformvolumen haben. Bei der Aufbringung solcher Kanäle in einem Umformprozess ist meist ein geringer aber gezielter Druckimpuls nötig, um ein Werkstück in die gewünschte Form umzuformen. Beispielsweise werden bei einer Wärmetauscherplatte von 200 x 500 mm ² Fläche je nach Kanaltiefe nur 10 bis 20 cm ³ Fluid für die Ausformung benötigt. Bezogen auf die umzuformende Fläche des Werkstücks 8 beträgt das flächenspezifische Volumen des Hochdruckfluids, das dem Fluidbecken 5 zur Hochdruckumformung des Werkstückes 8 zugeführt wird, demnach maximal 0,02 cm ³ pro cm ² , vorzugsweise maximal 0,01 cm ³ pro cm ² . Derartige gezielte Hochdruck-Impulse können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung einfach und schnell erzeugt sowie unkompliziert auf das Werkstück aufgebracht werden.

Das Fluidbecken 5 weist ferner einen Niederdruck-Fluidanschluss 7 auf. Der Niederdruck-Fluidanschluss 7 dient als Zulauf für das Fluidbecken 5 über den das Fluidbecken 5 mit Fluid unter Niederdruck bis zu 10 MPa gespeist werden kann. Hierbei ist der Niederdruck- Fluidanschluss 7 ein Niederdruckventil, welches an einem Niederdruck-Hydrauliksystem angeschlossen ist. Der Niederdruck-Fluidanschluss 7 ist während des Umformens durch Ventiltechnik verschlossen.

Fig. 2 zeigt eine Prinzip-Skizze eines Schnittes durch die Vorrichtung in geschlossenem Zustand während des Umformungsprozesses. Fig. 2 zeigt die Presse aus Fig.

1 und daher wird auf die obige Beschreibung und die identischen Bezugszeichen verwiesen.

Im geschlossenen Zustand wird der Werkstückrohling 8 zwischen dem Unterwerkzeug

2 und dem Oberwerkzeug 3 eingeschlossen. Das Oberwerkzeug 3 verschließt die Presse dicht und baut gegenüber dem Unterwerkzeug 2 und dem Werkstück 8 eine Schließkraft auf. Hierbei wird bereits ein gewisser Druck auf das Werkstück 8 aufgebracht. Das Werkstück 8 ist derart zwischen Unterwerkzeug 2 und Oberwerkzeug 3 angeordnet, dass es das Fluidbecken 5 des Unterwerkzeugs 2 dichtend verschließt. Zudem bildet das Halbzeug mit der Matrize 4 des Oberwerkzeugs 3 einen abgedichteten Raum, wenn das Oberwerkzeug 3 und das Unterwerkzeug 2 zusammengepresst sind. Hierbei können das Oberwerkzeug 3 und das Unterwerkzeug 2 im Bereich des gelagerten Werkstücks 8 Dichtmittel (nicht dargestellt), wie beispielsweise Gummilippen aufweisen, welche den Innenraum der Presse von der Umgebung abdichten.

Im oben beschriebenen geschlossenen Zustand der Presse wird das Werkstück 8 mittels Hochdruckeinspritzung durch den Hochdruck-Fluidanschluss 6 in das Fluidbecken 5 umgeformt. Hierzu wird der durch das Ventil des Hochdruck-Fluidanschlusses 6 Hochdruckfluid in den Fluidraum eingespritzt, um einen Überdruck zu erwirken. Das Hochdruckfluid wird aus dem Hochdruck-Fluidspeicher bereitgestellt, welcher permanent Hochdruck zur Verfügung stellt. Durch den Hochdruck-Impuls aus dem Hochdruck- Fluidspeicher wird das Werkstück 8 in Richtung des Oberwerkzeugs 3 in die Matrize 4 gepresst und somit entsprechend der Formkontur umgeformt. Der Druckaufbau dient der Umformung des Werkstücks zu einem umgeformten Bauteil 9. Fig. 2 zeigt bereits das umgeformte Bauteil 9, welches durch das Fluid in die Matrize gedrückt wurde. Hierbei ist das umgeformte Bauteil 9 mit einer Auswölbung (Längsschnitt durch das Bauteil) aus dem Werkstück dargestellt, welche mittels des Hochdruck-Impulses mit dem Fluid an die Formkontur der Matrize 4 gedrückt wurde.

Die Vorrichtung zum Hochdruckumformen von Werkstücken 8 weist ferner Messtechnik auf (nicht dargestellt), um den Druck des Fluids in der Presse kontinuierlich messen zu können. Somit kann das entsprechend gewünschte Druckniveau in der Presse überwacht und eingestellt werden.

Das Oberwerkzeug 3 weist vorzugsweise im Bereich der Matrize 4 eine Entlüftung (nicht dargestellt) auf. Somit kann Gas, das im abgedichteten Raum zwischen Werkstück 8 und Matrize 4 vorhanden ist, aus dem Oberwerkzeug 3 entweichen, wenn es im Umformprozess durch das umgeformte Bauteil 9 verdrängt wird.

Fig. 3 zeigt eine Prinzip-Skizze eines Schnittes durch die Vorrichtung in einem Zustand nach dem Umformprozess. Fig. 3 zeigt die Presse aus Fig. 1. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die obige Beschreibung und die identischen Bezugszeichen verwiesen.

Nach der Umformung öffnet die Presse, und das Oberwerkzeug 3 wird angehoben. Dabei sorgt der Überdruck dafür, dass das Fluid über den Rand des Fluidbeckens 5 strömt und einen Fluidfilm 10 bildet. Das ausgeströmte Fluid wird durch hinzugefügtes Fluid aus dem Niederdruck-Fluidanschluss 7 ausgeglichen.

Durch die Oberflächenspannung bzw. die Fließkraft des Fluids kann das umgeformte Bauteil 9 mittels des Fluidfilms 10 aus der Presse heraus transportiert werden. Weiterhin kann ein kommendes, umzuformendes Werkstück 8 auf dem Fluidfilm 10 in die Presse transportiert werden. Hierdurch können das Werkstück 8 bzw. das umgeformte Bauteil 9 leicht und schonend transportiert werden. Hierbei kann der Fluidfilm 10 zudem gebildet werden, indem das Fluidbecken 5 kontinuierlich über den Niederdruck-Fluidanschluss 7 mit Fluid befüllt wird, so dass das überlaufende Fluidbecken 5 an dessen Rändern einen Fluidfilm 10 bildet. Das überlaufende Fluid wird mittels eines Auffangbeckens (nicht dargestellt) unterhalb der Presse aufgefangen. Das überlaufende Fluidbecken verhindert zudem, dass Gase (Luft) in den Fluidraum eindringen und aufgrund der Kompressibilität die Umformung beeinträchtigen.

Die Vorrichtung weist zudem ein Transportsystem (nicht dargestellt) auf. Das Transportsystem grenzt direkt an die Presse an und ist dazu konfiguriert, um Werkstücke 8 in horizontaler Richtung zu der Vorrichtung hin - und umgeformte Bauteile 9 von der Vorrichtung weg - zu transportieren. Das Transportsystem ist vorzugsweise als (Fließ-)Band konfiguriert. Somit können Werkstücke 8 und umgeformte Bauteile 9 schonend auf dem (Fließ-)Band transportiert werden. Das Transportsystem wird in der Umgebung der Presse durch den Fluidfilm 10 unterstützt, damit ein fließender Übergang zwischen Transportsystem und Presse gewährleistet wird.

Die Figuren 4 bis 6 zeigen eine Prinzip-Skizze eines Schnittes durch eine alternative Ausführungsform die Vorrichtung in einem Zustand vor, während und nach dem Umformprozess.

Bei dem zweiten (passiven) Ausführungsbeispiel, im Wesentlichen auf dem vorangehend beschriebenen, ersten (aktiven) Ausführungsbeispiel basiert und mit Ausnahme der im Folgenden genannten Unterschiede weitgehend identische Merkmale aufweist, kann das Hochdruck-Fluidsystem und damit eine Kostenposition hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit entfallen. Der Prozess wird einfacher aber auch weniger gut steuerbar. Der zur Umformung benötigte Hochdruck-Impuls wird beim zweiten (passiven) Ausführungsbeispiel dadurch erzeugt, dass das Oberwerkzeug 3 mit einem eintauchenden Stempel 11 (Gravur) mit hoher Geschwindigkeit (Impuls) auf das Unterwerkzeug 2 und das dazwischenliegenden Werkstück 8 auftrifft. Beim Auftreffen des Oberwerkzeugs 3 verschließt das Werkstück 8 das Fluidbecken 5 und dichtet dieses ab, wie in Figur 4 dargestellt. Das Werkstück 8 wird von einem dem Stempel 11 vorauseilenden Niederhalter 12 gegen das Unterwerkzeug 2 gedrückt. Danach taucht der Stempel 11 geringfügig in das Werkstück 8 ein und drück dieses in das Fluidbecken 5 ein, wie in Figur 5 dargestellt. Das so verdrängte Fluid und mit einem Hochdruck-Impuls beaufschlagte Fluid drückt wiederum das Werkstück 8 gegen den Stempel 11 und führt so zur Umformung des Werkstücks 8. Nach der Umformung öffnet die Presse, und das Oberwerkzeug 3 in Form von dem Stempel 11 und dem Niederhalter 12 wird angehoben, wie in Figur 6 dargestellt. Der Stempel 11 ist im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 4-6 vorteilhaft positiv (Patrize) ausgeformt, während im ersten Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1-3 die formgebende Gravur als Matrize negativ ausgeführt ist. Bei den Kanälen ist der Unterschied gering, aber so, dass der Stempel 11 in der passiven Variante so tief eintauchen kann, dass das zur Umformung benötigte Fluidvolumen verdrängt wird.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Abänderungen und Variationen der Ausführungsbeispiele sind denkbar. So wäre ein Ausführungsbeispiel möglich, in dem die Presse eine Kurbel-, bzw. Kniehebelpresse ist. Sämtliche Ausführungen der Presse können sowohl mechanisch als auch hydraulisch geschlossen und geöffnet werden.

Zudem offenbart ist ein Ausführungsbeispiel, in dem die zu verarbeitenden Werkstücke 8 keine Werkstückrohlinge sind, sondern bereits teilbearbeitete Halbzeuge oder Platinen darstellen.

Des Weiteren sind Anzeigevorrichtungen, welche das Druckniveau während des Umformprozesses, Positionen der Werkstücke und den Prozessfortschritt anzeigen, denkbar.

Bezugszeichenliste

1 Aufspannplatte, Gestell der Presse, Pressentisch

2 Unterwerkzeug

3 Oberwerkzeug

4 Formgebungsabschnitt, Matrize, Gravur

5 Fluidbecken

6 Fluidanschluss, Hochdruck-Kanal

7 Fluidanschluss, Niederdruck-Kanal

8 Werkstück, Halbzeug, Platine

9 umgeformtes Bauteil

10 Fluidfilm

11 Formgebungsabschnitt, Patrize, Stempel

12 Niederhalter, Fixierungsabschnitt