DE102022134988A1

DE102022134988A1 - Vorrichtung, System und Verfahren zur Herstellung von Formteilen

Info

Publication number: DE102022134988A1
Application number: DE102022134988.8A
Authority: DE
Inventors: Fabian Köffers; Michael Schöler; Andre Boßmann; Daniela Brömmel; Klaus Schürmann
Original assignee: Siempelkamp Maschinen und Anlagenbau GmbH and Co KG
Current assignee: Siempelkamp Maschinen und Anlagenbau GmbH and Co KG
Priority date: 2022-12-29
Filing date: 2022-12-29
Publication date: 2024-07-04
Also published as: WO2024141381A1

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen (1), insbesondere aus Faserverbundwerkstoff, umfassend: ein erstes Presswerkzeug (2), ein zweites Presswerkzeug (3), und wenigstens eine Membran (4, 4') zum Kontaktieren eines Werkstücks (18), wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung relativ zueinander bewegbar sind, wobei sich zwischen der Membran (4, 4') und dem ersten Presswerkzeug (2) und/oder dem zweiten Presswerkzeug (3) wenigstens in der geschlossenen Stellung eine Kavität (5) für ein Arbeitsmedium ausbildet, wobei sich zwischen dem ersten Presswerkzeug (2) und dem zweiten Presswerkzeug (3), insbesondere zwischen der Membran (3) und dem ersten Presswerkzeug (2) und/oder dem zweiten Presswerkzeug (3), ein Arbeitsraum (8) zur Aufnahme des Werkstücks (18) ausbildet, und wobei die Membran (4, 4') eine Membrandicke, eine Längserstreckung und eine Quererstreckung aufweist. Um eine Vorrichtung bereitzustellen, die bei Formteilen mit komplexer als auch weniger komplexer Geometrie eine gleichmäßige Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass die Membran (4, 4'), insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder der Quererstreckung der Membran (4, 4'), wenigstens einen elastisch verformbaren Grundabschnitt (G, G') zum Kontaktieren des Werkstücks (18) und wenigstens einen plastisch vorverformten Formabschnitt (F) zum Kontaktieren des Werkstücks (18) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen, insbesondere aus Faserverbundwerkstoff, umfassend: ein erstes Presswerkzeug, ein zweites Presswerkzeug, und wenigstens eine Membran zum Kontaktieren eines Werkstücks, wobei das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung relativ zueinander bewegbar sind, wobei sich zwischen der Membran und dem ersten Presswerkzeug und/oder dem zweiten Presswerkzeug wenigstens in der geschlossenen Stellung eine Kavität für ein Arbeitsmedium ausbildet, wobei sich zwischen dem ersten Presswerkzeug und dem zweiten Presswerkzeug, insbesondere zwischen der Membran und dem ersten Presswerkzeug und/oder dem zweiten Presswerkzeug, ein Arbeitsraum zur Aufnahme des Werkstücks ausbildet, und wobei die Membran eine Membrandicke, eine Längserstreckung und eine Quererstreckung aufweist.
Die Erfindung betrifft zudem ein System zur Herstellung von Formteilen, insbesondere aus Faserverbundwerkstoff, umfassend: ein Werkstück, und eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 21.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen, insbesondere aus Faserverbundwerkstoff, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Werkstücks, b) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 21, und c) Beaufschlagen des Werkstücks mit Druck und/oder Temperatur mittels der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen.
Faserverbundwerkstoffe sind Verbundwerkstoffe, die im Wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten bestehen: aus verstärkenden Fasern sowie aus einem Kunststoff, in den die Fasern eingebettet sind („Matrix“ bzw. „Harz“). Durch die Kombination der beiden Hauptkomponenten kann erreicht werden, dass der Verbundwerkstoff insgesamt bessere Eigenschaften aufweist, als die beiden Komponenten allein betrachtet. Beispielsweise tragen die Fasern aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit in Faserrichtung dazu bei, die Zugfestigkeit des Verbundmaterials zu erhöhen. Die Matrix sorgt hingegen beispielsweise dafür, dass die Fasern in ihrer Position gehalten werden und vor mechanischen und chemischen Einflüssen geschützt werden.
Eine von mehreren Möglichkeiten der Herstellung von Formteilen aus Faserverbundwerkstoffen basiert auf der Verwendung von vorgefertigten Faser-Harz-Halbzeugen (sog. „Prepregs“, Kurzform von „preimpregnated fibers“). Bei derartigen Halbzeugen sind die Fasern mit einem noch nicht fertig reagierten Harzsystem versehen, so dass die Halbzeuge noch in flexibler Form vorliegen (z.B. bahnförmig, auf Rollen). Erst bei der Herstellung der Formteile werden die Prepregs umgeformt und bei hohem Druck und hohen Temperaturen durch die Vollendung der chemischen Reaktion ausgehärtet. Dieser Schritt kann beispielsweise in einer Presse erfolgen.
Prepregs werden beispielsweise in der Luftfahrtindustrie in großen Mengen verarbeitet. Eine Herausforderung bei der Verarbeitung liegt darin, dass in der Luftfahrtindustrie häufig sehr komplexe Formteilgeometrien erforderlich sind, beispielsweise aufgrund von Verstärkungselementen wie Stringern. Zudem soll der Montageaufwand verringert werden, was durch die Verwendung weniger, aber dafür größerer Formteile erreicht werden soll. Die Kombination aus komplexen Geometrien und großen Formteildimensionen stellt erhöhte Anforderungen an Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung dieser Formteile.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Formteilen aus Faserverbundwerkstoff sind beispielsweise aus der DE 10 2017 113 595 A1 bekannt. Eine gleichmäßige Beaufschlagung des herzustellenden Formteils mit Druck soll dadurch erreicht werden, dass eine elastische Membran auf das Werkstück, aus dem das Formteil gebildet wird, einwirkt, wobei von der dem Werkstück abgewandten Seite der Membran ein Öldruck auf die Membran einwirkt. Die Membran wird also von einem Öldruck auf die Werkstückoberfläche gepresst und nimmt hierdurch die Form des Werkstücks an. Auf diese Weise soll auch bei gekrümmten Werkstückoberflächen bzw. Formteiloberflächen sichergestellt sein, dass der Öldruck allseitig wirkt und somit die von der Membran auf die Werkstückoberfläche wirkende Kraft an jeder Stelle gleich groß ist, insbesondere auch die orthogonal auf die Werkstückoberfläche einwirkende Kraftkomponente. Von Nachteil hierbei ist jedoch, dass die Membran nur bis zu einem gewissen Grad elastisch verformt werden kann, bevor Schäden an der Membran auftreten. Formteile mit komplexen Geometrien, insbesondere mit starken Krümmungsänderungen und/oder entgegengesetzten Krümmungen, können mit einer derartigen Vorrichtung nicht hergestellt werden.
Die Verwendung einer derartigen „Membranpresse“ zur Herstellung von Formteilen aus Faserverbundwerkstoff ist auch aus der US 2016/0297153 A1 bekannt. Von Nachteil ist hier jedoch, dass zum Kontakt mit dem Werkstück bzw. Formteil ausschließlich eine steife Wandung vorgesehen ist. Die steife Wandung kann zwar mit einer flexiblen Membran verbunden sein, jedoch ist die flexible Membran nicht für den Kontakt mit dem Werkstück vorgesehen. Insbesondere in Bereichen des Werkstücks bzw. Formteils mit weniger komplexeren Geometrien kann eine solche steife Wandung sich nicht oder nicht ausreichend stark durch elastische Verformung an die Geometrie des Werkstücks bzw. Formteils anpassen und somit keine gleichmäßige Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur ermöglichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen, insbesondere aus Faserverbundwerkstoff, bereitzustellen, die bei Formteilen mit komplexer als auch weniger komplexer Geometrie eine gleichmäßige Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass die Membran, insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder der Quererstreckung der Membran, wenigstens einen elastisch verformbaren Grundabschnitt zum Kontaktieren des Werkstücks, insbesondere auch des herzustellenden Formteils, und wenigstens einen plastisch vorverformten Formabschnitt zum Kontaktieren des Werkstücks, insbesondere auch des herzustellenden Formteils, aufweist. Durch die Kombination von elastisch verformbaren Grundabschnitt, welcher sich sehr gut an insbesondere weniger komplexe Geometrien der Form des Werkstücks bzw. des aus dem Werkstück herzustellenden Formteils elastisch anpassen kann, und plastisch vorverformten Formabschnitt, welcher durch die plastische Vorverformung bereits vor dem Beaufschlagen mit Druck und/oder Temperatur des Werkstücks an insbesondere komplexe Geometrien der Form des Werkstücks bzw. der Form des aus dem Werkstück herzustellenden Formteils angepasst ist, können unterschiedlich komplexen Geometrien besonders gleichmäßig mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt werden.
Bei der Längserstreckung der Membran handelt es sich um die Erstreckung der Membran, insbesondere ausgehend von einer Querseite der Membran, entlang der Längsachse der Membran. Bei der Quererstreckung der Membran handelt es sich um die Erstreckung der Membran, insbesondere ausgehend von einer Längsseite der Membran, entlang der Querachse der Membran. Die Quererstreckung der Membran muss dabei nicht ausschließlich oder kann abschnittsweise gar nicht in Richtung der Querachse verlaufen. Erstreckt sich beispielsweise die Membran wenigstens abschnittsweise kreisbogenförmig um die Längsachse der Membran, verläuft die Quererstreckung der Membran anteilig in Richtung der Querachse der Membran und anteilig in Richtung der Hochachse der Membran. Entsprechendes gilt auch für die Längserstreckung der Membran. Bei der Hochachse der Membran handelt es sich um die senkrecht zur Längsachse der Membran und senkrecht zur Querachse der Membran stehende Achse. Die Längsachse der Membran und die Querachse der Membran stehen wiederum senkrecht zueinander.
Die Vorrichtung umfasst dabei ein erstes - vorzugsweise oberes - Presswerkzeug und zweites - vorzugsweise unteres - Presswerkzeug, die Vorrichtung kann jedoch noch weitere Presswerkzeuge umfassen. Das erste Presswerkzeug und/oder das zweite Presswerkzeug können dabei einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Das erste Presswerkzeug und/oder das zweite Presswerkzeug sind vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus nickelreichem Stahl, nickelreichem Gusseisen oder nickelreichem Gussstahl, hergestellt. Dabei kann der jeweilige Nickelgehalt oberhalb von 34%, vorzugsweise zwischen 35,7,% und 36,7 % oder zwischen 40,8% und 43,6 %, liegen. Durch die Verwendung von Metall, insbesondere Stahl kann eine hohe Standzeit der Presswerkzeuge erreicht werden. Im Fall von Stählen, wie beispielsweise Invar 36, weisen zudem einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Die Verwendung von Invar ermöglicht daher eine sehr präzise Herstellung von Formteilen, selbst bei sich während des Pressvorgangs verändernden Temperaturen. Noch größere Vorteile können durch speziell angepasste Gusslegierungen, vorzugsweise nickelreichem Gusseisen oder nickelreichem Gussstahl, erreicht werden, mit denen nicht nur der maximale Wärmeausdehnungskoeffizient gering gehalten, sondern über weite Teile an die Anforderungen des Werkstoffs des Werkstücks, zum Beispiel eines (Glas- oder Kohlefaser armierten) Thermoset oder eines (Glas- oder Kohlefaser armierten) Thermoplast Werkstoffs, über weite Teile des Heiz- und Kühlprozesses im Presszyklus angepasst werden können. Zudem ergeben sich bei der Verwendung von Gusswerkstoffen erhebliche wirtschaftliche Vorteile, da hochnickellegierte Stähle extrem teuer sind und im Zerspanungsprozess im Formenbau noch heute häufig die Zerspanungsraten weit über 50% meist sogar über 70% oder 80% betragen.
Das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug sind dabei zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung relativ zueinander bewegbar. Hierdurch können die Presswerkzeuge von einem in die Presse eingelegten Werkstück bzw. dem aus dem Werkstück hergestellten Formteil zu und weg bewegt werden. Das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug sind dabei insbesondere entlang einer Bewegungsachse zwischen der offenen Stellung und der geschlossenen Stellung relativ zueinander bewegbar. Hierdurch wird eine definierte Bewegung der Presswerkzeuge vorgegeben. In der offenen Stellung kann das Werkstück zwischen die Presswerkzeuge eingelegt werden oder das fertige Formteil zwischen den beiden Presswerkzeugen entnommen werden. In der geschlossenen Stellung kann wiederum das Werkstück mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt werden, um aus dem Werkstück das Formteil herzustellen.
Die Vorrichtung umfasst zudem wenigstens eine Membran. Die Membran ist zum Kontaktieren des Werkstücks, insbesondere auch des herzustellenden Formteils, und insbesondere zum Beaufschlagen des Werkstücks mit Druck und/oder Temperatur vorgesehen. Hierfür ist die Membran wenigstens abschnittsweise in Richtung des Arbeitsraums bewegbar, insbesondere dehnbar. Die Membran umfasst dabei wenigstens einen Grundabschnitt und wenigstens einen Formabschnitt. Die Membran kann vorteilhafterweise wenigstens zwei Grundabschnitte, insbesondere eine Mehrzahl von Grundabschnitten, und/oder wenigstens zwei Formabschnitte, insbesondere eine Mehrzahl von Formabschnitten, umfassen. Der Grundabschnitt ist elastisch, insbesondere linear-elastisch, verformbar und kann sich hierdurch sehr gut an die Form des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils anpassen. Der Formabschnitt ist wiederum plastisch vorverformt. Dies bedeutet, dass dem Formabschnitt durch eine plastische Verformung, insbesondere gegenüber dem Grundabschnitt, eine Form aufgeprägt wurde. Der Formabschnitt wurde durch die plastische Vorverformung gegenüber dem Grundabschnitt zusätzlich plastisch verformt. Die plastische Vorverformung erfolgt dabei über die Elastizitätsgrenze des Werkstoffs der Membran hinweg. Die plastische Vorverformung führt dabei vorzugsweise zu einer plastischen Verformung wenigstens an der Kavität angrenzenden Seite des Formabschnitts und/oder wenigstens an der Arbeitsraum angrenzenden Seite des Formabschnitts, insbesondere im Wesentlichen über die gesamte Membrandicke des Formabschnitts. Die, insbesondere durch plastische Vorverformung aufgeprägte, Form des Formabschnitts weicht vorteilhafterweise von der Grundform der Membran, insbesondere der Grundform des Grundabschnitts, wenigstens in der offenen Stellung der Presswerkzeuge, insbesondere im unbelasteten Zustand der Membran, ab. Die plastische Vorverformung hat dabei das Ziel den Formabschnitt wenigstens abschnittsweise an die Form des Werkstücks bzw. des aus dem Werkstück mit der Vorrichtung herzustellenden Formteils anzupassen. Durch die plastische Vorverformung kann der Formabschnitt in eine Form gebracht werden, die die Membran durch eine elastisch, insbesondere linear-elastische, Verformung beim Herstellen des Formteils nicht erreichen könnte. Durch die plastische Vorverformung des Formabschnitts wird somit eine kontrollierte Anpassung der Form des Formabschnitts und somit der Form der Membran vorgenommen, anstatt die Membran beim Beaufschlagen mit Druck und/oder Temperatur plastisch unkontrolliert zu verformen. Ein unkontrolliertes plastisches Verformen der Membran kann nämlich zu einer Beschädigung der Membran führen. Der Formabschnitt muss nicht vollständig plastisch vorverformt sein, es ist dabei vorzugsweise ausreichend, dass der Formabschnitt wenigstens abschnittsweise plastisch vorverformt ist, vorzugsweise überwiegend plastisch vorverformt. Es kann jedoch auch von Vorteil sein, wenn der Formabschnitt im Wesentlichen vollständig plastisch vorverformt ist.
Unter der plastischen Vorverformung des Formabschnitts ist dabei beispielsweise nicht eine generelle plastische Verformung des gesamten für die Membran verwendeten Ausgangsmaterials, beispielsweise in einem Walzwerk, anzusehen oder eine plastische Verformung, die die Membran gegebenenfalls beim Herstellen eines Formteils beim Beaufschlagen mit Druck und/oder Temperatur erfährt. Der Formabschnitt ist vorteilhafterweise wenigstens an der Kavität angrenzenden Seite des Formabschnitts und/oder wenigstens an der Arbeitsraum angrenzenden Seite des Formabschnitts, insbesondere gegenüber dem Grundabschnitt, plastisch vorverformt.
Der Grundabschnitt und der Formabschnitt der Membran sind insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder der Quererstreckung der Membran vorgesehen. Der Grundabschnitt und der Formabschnitt erstrecken sich vorteilhafterweise entlang der Längserstreckung und/oder der Quererstreckung der Membran. Vorzugsweise grenzen der Grundabschnitt und der Formabschnitt, insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder der Quererstreckung der Membran, aneinander an.
Die Vorrichtung kann zudem zwei oder wenigstens zwei Membranen umfassen. Durch die Verwendung von zwei oder wenigstens zwei Membranen kann auf einfache Weise von verschiedenen Seiten Druck und/oder Temperatur auf das Werkstück übertragen werden. Vorteilhafterweise beträgt die Membrandicke wenigstens 0,05 mm,vorzugsweise wenigstens 0,2 mm, insbesondere wenigstens 0,25 mm. Hierdurch wird eine ausreichende Festigkeit der Membran gewährleistet. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Membrandicke höchstens 4 mm, vorzugsweise höchstens 2 mm, insbesondere höchstens 1,5 mm. Hierdurch wir eine ausreichende Flexibilität der Membran, insbesondere im Bereich des Grundabschnitts, gewährleistet. Die Membran ist vorzugsweise einstückig und/oder einteilig ausgebildet, insbesondere aus einem Blech hergestellt. Es kann jedoch auch ausreichend sein, wenn lediglich der Grundabschnitt und der Formabschnitt zusammen einteilig ausgebildet, insbesondere aus einem Bleich hergestellt, sind.
Zwischen der Membran und dem ersten Presswerkzeug und/oder dem zweiten Presswerkzeug bildet sich wenigstens in der geschlossenen Stellung eine Kavität für ein Arbeitsmedium aus. Die Kavität kann sich zudem zwischen der Membran und dem ersten Presswerkzeug und/oder dem zweiten Presswerkzeug in der offenen Stellung und der geschlossenen Stellung, vorzugsweise in jeder Stellung der Presswerkzeuge, ausbilden. Die Kavität wird dabei vorzugsweise durch die Membran und das erste Presswerkzeug und/oder das zweite Presswerkzeug wenigstens abschnittsweise begrenzt. Die Kavität weist dabei vorteilhafterweise, insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder Quererstreckung der Membran, an jeder Stelle zwischen Membran und dem ersten Presswerkzeug und/oder dem zweiten Presswerkzeug eine gleich große Dicke auf. Die Kavität ist mit einem Arbeitsmedium befüllbar. Das Arbeitsmedium ist beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit. Das Arbeitsmedium ist zudem vorzugsweise mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagbar. Der Druck und/oder die Temperatur, mit dem das Arbeitsmedium beaufschlagbar ist, ist mittels der Membran an das Werkstück übertragbar. Die Kavität ist zudem vorteilhafterweise in Richtung des Arbeitsraums ausdehnbar. Die Kavität ist dabei mit einem Öldruck von wenigstens 0,1 bar, vorzugsweise wenigstens 2 bar, weiter vorzugsweise wenigstens 6 bar, insbesondere wenigstens 8 bar und/oder höchstens 40 bar, vorzugsweise höchstens 26 bar, insbesondere höchstens 22 bar, beaufschlagbar. Die Kavität ist vorzugsweise zudem durch das erste Presswerkzeug und/oder das zweite Presswerkzeug sowie die Membran gegen einen Öldruck von wenigstens 4bar, vorteilhafterweise wenigstens 8 bar, insbesondere wenigstens 40 bar, abdichtbar.
Zwischen dem ersten Presswerkzeug und dem zweiten Presswerkzeug, insbesondere zwischen der Membran und dem ersten Presswerkzeug und/oder dem zweiten Presswerkzeug, bildet sich zudem ein Arbeitsraum zur Aufnahme des Werkstücks aus. Der Arbeitsraum bildet sich dabei vorzugsweise wenigstens in der offenen Stellung und/oder wenigstens in der geschlossenen Stellung, insbesondere in jeder Stellung der Presswerkzeuge, aus. In den Arbeitsraum kann dann in der offenen Stellung das Werkstück eingebracht werden und in der geschlossenen Stellung, insbesondere mittels der Membran, mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt werden.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass wenigstens in der offenen Stellung der Formabschnitt, insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder der Quererstreckung der Membran, relativ zu dem Grundabschnitt plastisch vorverformt ist. Der Formabschnitt weist somit im Vergleich zum Grundabschnitt eine zusätzlich plastische Verformung auf, durch welche der Formabschnitt insbesondere an komplexe Geometrien des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils angepasst ist. Vorteilhafterweise ist in wenigstens der offenen Stellung und der geschlossenen Stellung, vorzugsweise in jeder Stellung der Presswerkzeuge, der Formabschnitt relativ zu dem Grundabschnitt plastisch vorverformt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Membran aus Metall, vorzugsweise Stahl, insbesondere aus Edelstahl, hergestellt ist. Hier kann es in einfachen Fällen bereits ausreichen einen Edelstahl gemäß Werkstoffspezifikation 1.4301 zur Herstellung der Membran zu nutzen. Vorzugsweise soll aber Stahl, insbesondere Edelstahl, mit guten bis ausgezeichneten Tiefzieheigenschaften, also so genannter Tiefziehstahl, zur Herstellung der Membran Verwendung finden. Durch die Verwendung von Metall wird eine ausreichend stabile Membran bereitgestellt, welche auch hohe Drücke und/oder hohe Temperaturen standhält sowie selbst eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Zudem kann eine Membran aus Metall sowohl elastisch als auch plastisch verformt werden. Gerade durch die Verwendung einer Membran, die aus Metall hergestellt ist und einen plastisch vorverformten Abschnitt aufweist, können Formteile mit komplexen Geometrien und untern hohen Drücken und/oder Temperaturen hergestellt werden, was beispielsweise mit nicht-metallischen Membranen, beispielsweise Silikon-Membranen nicht möglich wäre. Silikon-Membranen können sich beispielsweise zwar gut an komplexe Geometrien des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils anpassen, jedoch halten Silikon-Membranen nur geringeren Drücken und/oder Temperaturen stand als Membranen aus Metall. Der Nachteil der geringeren Flexibilität einer Metallmembran gegenüber beispielsweise einer Silikon-Membran wird vorliegend durch den plastisch vorverformten Formabschnitt ausgeglichen, welcher an Abschnitte des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils mit komplexen Geometrien angepasst ist. Vorteilhafterweise sind zudem der Formabschnitt und der Grundabschnitt aus demselben Metall hergestellt. Die Membran kann dabei eine Zugfestigkeit von 300 bis 850 MPa aufweisen, insbesondere 310 bis 540 MPa oder 490 bis 830 MPa. Die Membran kann dabei insbesondere aus einem Stahl hergestellt sein, der zumindest folgende Anteile in Gewichtsprozent als Elemente oder als Verbindungen von:

- Kohlenstoff im Bereich von ca. 0,16% bis 0,22%,
- Silizium bis ca. 0,13%,
- Mangan im Bereich von ca. 0,2% bis 0,4%,
- Nickel bis ca. 0,25%,
- Schwefel bis ca. 0,025%
- Phosphor bis ca. 0,025%,
- Chrom bis ca. 0,15%,
- Aluminium im Bereich von ca. 0,02% bis 0,07%,
- Kupfer bis ca. 0,2%,

Auch andere Stahllegierungen, die Chrom, Nickel und vorteilhafterweise auch Titan und/oder Kupfer enthalten, können gute Ergebnisse erzielen.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass der Grundabschnitt stärker elastisch verformbar ist als der Formabschnitt und/oder dass die Membran, insbesondere der Grundabschnitt, durch elastische Verformung in Richtung des Arbeitsraum verformbar ist. Hierdurch kann sich der Grundabschnitt besonders gut an die Geometrie des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils anpassen. Die stärkere elastische Verformbarkeit des Grundabschnitts im Vergleich zum Formabschnitt ist hierbei insbesondere durch die plastische Vorverformung des Formabschnitts bedingt. Der Grundabschnitt ist insbesondere stärker linear-elastisch verformbar als der Formabschnitt. Trotz der plastischen Vorverformung des Formabschnitts ist der Formabschnitt jedoch vorzugsweise elastisch verformbar. Vorteilhafterweise ist der Grundabschnitt wenigstens an der Kavität angrenzenden Seite des Grundabschnitts und/oder wenigstens an der Arbeitsraum angrenzenden Seite des Grundabschnitts stärker elastisch, insbesondere linear-elastisch, verformbar als der Formabschnitt. Insbesondere ist zudem der Formabschnitt wenigstens in der offenen Stellung stärker plastisch verformt als der Grundabschnitt. Durch die stärkere plastische Verformung ist der Formabschnitt besonders gut an die Geometrie des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils vorab angepasst. Die Membran, insbesondere der Grundabschnitt, ist durch elastische Verformung alternativ oder zusätzlich zudem in Richtung der Kavität verformbar.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass wenigstens in der offenen Stellung die Krümmung der Form des Formabschnitts, insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder Quererstreckung der Membran, wenigstens abschnittsweise abweichend zu wenigstens einer Krümmung der Form des Grundabschnitts, vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts, ausgestaltet ist. Hierdurch wird eine an die Geometrie des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils angepasste Vorverformung des Formabschnitts bereitgestellt. Die Krümmung der Form des Formabschnitts kann dabei insbesondere im Betrag und/oder im Vorzeichen von der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts abweichen. Der Formabschnitt weist somit gegenüber dem Grundabschnitt eine Krümmungsänderung auf, sodass der Formabschnitt und der Grundabschnitt sich wenigstens abschnittsweise in unterschiedliche Richtungen erstrecken. Die Form des Formabschnitts oder die Form des Grundabschnitts beschreibt dabei die allgemeine Form des jeweiligen Abschnitts. Gestaltabweichungen, wie sie in der DIN 4760:1982-06 beschrieben werden, vorzugsweise wenigstens Gestaltabweichungen 2. Ordnung und/oder wenigstens 3. Ordnung und höherer Ordnung, werden dabei nicht als Teil der Form und nicht als Teil der Krümmung der Form angesehen. Bei der Gestaltabweichung 2. Ordnung handelt es sich um die Welligkeit und bei den Gestaltabweichungen der 3. bis 5. Ordnung handelt es sich um die Rauheit. Bei der Krümmung der Form handelt es sich somit nicht um Fehler, insbesondere Oberflächenfehler, der Membran. Insbesondere ist die Krümmung der Form des Formabschnitts wenigstens abschnittsweise um wenigstens den Faktor 1,05, vorzugsweise wenigstens den Faktor 1,25, weiter vorzugsweise wenigstens den Faktor 2, weiter vorzugsweise wenigstens den Faktor 4, weiter vorzugsweise wenigstens den Faktor 10, weiter vorzugsweise wenigstens den Faktor 25, weiter vorzugsweise wenigstens den Faktor 50, weiter vorzugsweise wenigstens den Faktor 100, weiter vorzugsweise wenigstens den Faktor 250, weiter vorzugsweise wenigstens den Faktor 500, weiter vorzugsweise wenigstens den Faktor 1000, weiter vorzugsweise wenigstens den Faktor 2500, weiter vorzugsweise wenigstens den Faktor 5000, insbesondere wenigstens den Faktor 10000, kleiner oder größer als die wenigstens eine Krümmung der Form des Grundabschnitts, vorzugsweise die Krümmung der Form des an den Formabschnitt angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts.
Die wenigstens abschnittsweise Abweichung der Krümmung zwischen der Form des Formabschnitts und der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts ist dabei vorteilhafterweise durch die plastische Vorverformung des Formabschnitts, insbesondere gegenüber dem Grundabschnitt, erzeugt. Bei der Abweichung der Krümmung soll es sich also beispielsweise nicht oder zumindest nicht im Wesentlichen um eine Abweichung der Krümmungen aufgrund von elastischer Verformung der Membran, insbesondere bedingt durch die Schwerkraft, handeln.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist dabei vorgesehen, dass wenigstens in der offenen Stellung die Krümmung der Form des Formabschnitts an der Kavität angrenzenden Seite des Formabschnitts wenigstens abschnittsweise abweichend zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts, vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts, an der Kavität angrenzenden Seite des Grundabschnitts und/oder die Krümmung der Form des Formabschnitts an der Arbeitsraum angrenzenden Seite des Formabschnitts wenigstens abschnittsweise abweichend zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts, vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts, an der Arbeitsraum angrenzenden Seite des Grundabschnitts ausgestaltet ist. Hierdurch wird eine an die Geometrie des Werkstücks bzw. herzustellenden Formteils angepasste Vorverformung des Formabschnitts bereitgestellt. Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn sowohl die Krümmungen auf der jeweils der Arbeitsraum angrenzenden Seite als auch die Krümmungen auf der jeweils der Kavität angrenzenden Seite voneinander abweichen, da hier durch eine besonders umfangreiche Anpassung des Formabschnitts an die Geometrie des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils möglich ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens in der offenen Stellung die Krümmung der Form des Formabschnitts, insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder Quererstreckung der Membran, wenigstens abschnittsweise entgegengesetzt zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts, vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts, ausgestaltet ist. Hierdurch wird eine an die Geometrie des Werkstücks bzw. herzustellenden Formteils angepasste Vorverformung des Formabschnitts bereitgestellt. Insbesondere wird hierdurch ein Formabschnitt bereitgestellt, der angepasst an komplexere Geometrien des Werkstücks bzw. herzustellenden Formteils vorverformt ist. Unter entgegengesetzten Krümmungen ist dabei zu verstehen, dass die Krümmungen unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Beispielsweise kann der Grundabschnitt linksgekrümmt sein, somit ein positives Vorzeichen aufweisen, und der Formabschnitt rechtsgekrümmt sein, somit ein negatives Vorzeichen aufweisen, oder nicht gekrümmt sein, die Krümmung ist in diesem Fall null und die Krümmung hat kein Vorzeichen. Ein positives Vorzeichen, ein negatives Vorzeichen und kein Vorzeichen sind dabei jeweils als unterschiedliche Vorzeichen anzusehen.
Die wenigstens abschnittsweise entgegengesetzte Krümmung zwischen der Form des Formabschnitts und der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts ist dabei vorteilhafterweise durch die plastische Vorverformung des Formabschnitts, insbesondere gegenüber dem Grundabschnitt, erzeugt. Die entgegengesetzten Krümmungen sollen also beispielsweise nicht oder zumindest nicht im Wesentlichen durch elastische Verformung der Membran, insbesondere aufgrund der Schwerkraft, bedingt sein.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass wenigstens in der offenen Stellung die Krümmung der Form des Formabschnitts an der Kavität angrenzenden Seite des Formabschnitts wenigstens abschnittsweise entgegengesetzt zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts, vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts, an der Kavität angrenzenden Seite des Grundabschnitts und/oder die Krümmung der Form des Formabschnitts an der Arbeitsraum angrenzenden Seite des Formabschnitts wenigstens abschnittsweise entgegengesetzt zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts, vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts, an der Arbeitsraum angrenzenden Seite des Grundabschnitts ausgestaltet ist. Hierdurch wird eine an die Geometrie des Werkstücks bzw. herzustellenden Formteils angepasste Vorverformung des Formabschnitts bereitgestellt. Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn sowohl die Krümmungen auf der jeweils der Arbeitsraum angrenzenden Seite als auch die Krümmungen auf der jeweils der Kavität angrenzenden Seite entgegengesetzt ausgestaltet sind, da hier durch eine besonders umfangreiche Anpassung des Formabschnitts an die Geometrie des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils möglich ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass die Abweichung der Krümmung der Form des Formabschnitts zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts, vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts, mittels plastischer Verformung, insbesondere der Form, des Formabschnitts erzeugt ist. Die Abweichung der Krümmung, also die Abweichung des Betrags und/oder des Vorzeichens der Krümmung, soll somit durch die plastische Vorverformung des Formabschnitts erzeugt sein. Hierdurch ist der Formabschnitt dauerhaft an die Geometrie des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils angepasst.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass sich die zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts, vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts, abweichende Krümmung der Form des Formabschnitts, insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder der Quererstreckung der Membran, über eine Länge von wenigstens 6 mm, vorzugsweise wenigstens 50 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 70 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 100 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 150 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 500 mm, insbesondere wenigstens 1000 mm, erstreckt. Hierdurch wird ein Formabschnitt bereitgestellt, der an besonders komplexe Geometrien des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils und/oder besonders große Werkstücke bzw. herzustellende Formteile angepasst ist. In letzterem Fall können hierdurch beispielsweise Richtungsänderungen der Membran in einer Größenordnung bereitgestellt werden, die ohne plastische Vorverformung des Formabschnitts, insbesondere bei einer Membran aus Metall, nicht realisierbar wären.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass wenigstens in der offenen Stellung der Formabschnitt und/oder der Grundabschnitt, insbesondere die Form des Formabschnitts und/oder die Form des Grundabschnitts, wenigstens abschnittsweise um die Längsachse der Membran oder eine zur Längsachse der Membran parallele Achse, um die Querachse der Membran oder eine zur Querachse der Membran parallele Achse und/oder um die Hochachse der Membran oder eine zur Hochachse der Membran parallele Achse gekrümmt sind. Hierdurch lassen sich auf einfache Weise Formteile mit komplexer Geometrie herstellen. Im Falle des Formabschnitts ist diese Krümmung dabei durch die plastische Vorverformung auf den Formabschnitt aufgeprägt. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass wenigstens in der offenen Stellung der Formabschnitt und/oder der Grundabschnitt, insbesondere die Form des Formabschnitts und/oder die Form des Grundabschnitts, wenigstens abschnittsweise um wenigstens zwei der Achsen aus der Gruppe von Längsachse der Membran oder eine zur Längsachse der Membran parallele Achse, Querachse der Membran oder eine zur Querachse der Membran parallele Achse und Hochachse der Membran oder eine zur Hochachse der Membran parallele Achse gekrümmt sind. Mit anderen Worten ausgedrückt ist es von Vorteil, wenn wenigstens in der offenen Stellung der Formabschnitt und/oder der Grundabschnitt, insbesondere die Form des Formabschnitts und/oder die Form des Grundabschnitts, wenigstens abschnittsweise um wenigstens zwei senkrecht zueinander verlaufende Achsen gekrümmt sind. Somit wird eine Membran bereitgestellt, welche wenigstens abschnittsweise doppeltgekrümmt ist. Hierdurch lassen sich auf einfache Weise Formteile mit komplexer Geometrie, insbesondere einer Doppelkrümmung, herstellen. Vorteilhafterweise ist dabei vorgesehen, dass der Formabschnitt, vorzugsweise die Form des Formabschnitts, durch plastische Vorverformung des Formabschnitts, vorzugsweise gegenüber dem Grundabschnitt, wenigstens abschnittsweise um wenigstens zwei senkrecht zueinander verlaufende Achsen gekrümmt ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass wenigstens in der offenen Stellung der Formabschnitt, insbesondere an der Kavität angrenzenden Seite des Formabschnitts und/oder an der Arbeitsraum angrenzenden Seite des Formabschnitts, wenigstens abschnittsweise von dem Grundabschnitt, insbesondere dem an den Formabschnitt angrenzenden Randbereich des Grundabschnitts, in Richtung der Kavität und/oder in Richtung des Arbeitsraums, insbesondere im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des an den Formabschnitt angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts, mit einem Abstand beabstandet ist und dass der Abstand wenigstens der Membrandicke entspricht. Hierdurch wird ein Formabschnitt bereitgestellt, welcher an komplexe Geometrien des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils angepasst ist. Insbesondere wird durch den Formabschnitt bereits in der offenen Stellung und auch während des Beaufschlagens des Werkstücks mit Druck und/oder Temperatur ausreichend Platz für Vorsprünge des Werkstücks bzw. des daraus herzustellenden Formteils bereitgestellt. Zudem kann ein derartig ausgestalteter Formabschnitt ausreichend nah an Rücksprünge des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils angeordnet werden, sodass ein gleichmäßiges Anliegen des Formabschnitts erreicht wird. Ein entsprechender Abstand beispielsweise in Richtung der Kavität kann zwar zu einem größeren Volumen der Kavität führen, da für einen ausreichenden Abstand zwischen Formabschnitt und Presswerkzeug der Abstand zwischen Membran und Presswerkzeug in der Regel durchgängig vergrößert wird. Hierdurch entstehen gegebenenfalls höhere Anschaffungskosten, höhere Betriebskosten, höheres Risiko von Undichtigkeit und erhöhte Trägheit bei der Temperatursteuerung, jedoch erreicht man den Vorteil, dass sich auch im Formabschnitt ein wenigstens ähnliches Maß an Gleichmäßigkeit der im Pressprozess wirkenden Druckverteilung einstellt, wie es für die Betrachtung desselben Gesamtprozesses der jeweilige Fall ist. Vorteilhafterweise liegt der Abstand wenigstens in der offenen Stellung zwischen der an der Kavität angrenzenden Seite des Formabschnitts und der an der Kavität angrenzenden Seite des Grundabschnitts und/oder zwischen der an den Arbeitsraum angrenzenden Seite des Formabschnitts und der an den Arbeitsraum angrenzenden Seite des Grundabschnitts vor. Der Abstand kann vorteilhafterweise wenigstens 6 mm, vorzugweise wenigstens 15 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 50 mm, insbesondere wenigstens 72 mm, weiter insbesondere wenigstens 1000 mm, betragen. Alternativ oder zusätzlich kann der Abstand wenigstens dem 1,25-fachen, vorzugsweise wenigstens dem 1,41-fachen, weiter vorzugsweise wenigstens dem 7-fachen, weiter vorzugsweise wenigstens dem 25-fachen, weiter vorzugsweise wenigstens dem 50-fachen, insbesondere wenigstens dem 100-fachen, der Membrandicke entsprechen. Der Formabschnitt kann vorteilhafterweise zudem in Richtung der Hochachse von dem Grundabschnitt mit dem Abstand beabstandet sein.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass wenigstens in der offenen Stellung sich der Formabschnitt, insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder Quererstreckung der Membran, wenigstens abschnittsweise schräg zu dem Grundabschnitt erstreckt und dass, vorzugsweise, zwischen dem Formabschnitt und dem Grundabschnitt wenigstens abschnittsweise ein Winkel von wenigstens 90°, vorzugsweise wenigstens 100°, insbesondere wenigstens 120°, und/oder ein Winkel von höchstens 180°, vorzugsweise höchstens 160°, insbesondere höchstens 145°, vorliegt. Hierdurch wird eine Membran mit einer Richtungsänderung in einer Größenordnung bereitgestellt, welche ohne plastische Vorverformung des Formabschnitts, insbesondere bei einer Membran aus Metall, nicht realisierbar wäre.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Formabschnitt sich, insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder der Quererstreckung der Membran, wenigstens 6 mm, vorzugsweise wenigstens 50 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 70 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 100 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 150 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 500 mm, insbesondere wenigstens 1000 mm, erstreckt. Hierdurch wird ein ausreichend großer Formabschnitt bereitgestellt, der auch für Werkstücke bzw. herzustellende Formteile mit komplexen Geometrien größeren Ausmaßes geeignet ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass die Membrandicke des Formabschnitts höchstens 40%, vorzugsweise höchstens 25%, weiter vorzugsweise höchstens 15%, insbesondere höchstens 10%, weiter insbesondere höchstens 5%, von der Membrandicke des Grundabschnitts, insbesondere des an den Formabschnitt angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts, abweicht. Hierdurch wird eine Membran mit einer besonders gleichmäßigen Membrandicke bereitgestellt. Die plastische Vorverformung des Formabschnitts hat in diesem Fall nur einen geringen Einfluss auf die Membrandicke des Formabschnitts. Die Abweichung der Membrandicke liegt dabei vorteilhafterweise entlang im Wesentlichen des gesamten Formabschnitts vor. Vorteilhafterweise weisen der Formabschnitt und der Grundabschnitt zudem, insbesondere der an den Formabschnitt angrenzenden Randbereich des Grundabschnitts, im Wesentlichen dieselbe Membrandicke auf.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass die Membran, insbesondere der Grundabschnitt und/oder der Formabschnitt, wenigstens abschnittsweise eine Oberflächenstruktur aufweist und dass, vorzugsweise, die Oberflächenstruktur auf der Arbeitsraum angrenzenden Seite der Membran, insbesondere des Grundabschnitts und/oder des Formabschnitts, angeordnet ist. Hierdurch kann dem Werkstück bzw. dem herzustellenden Formteil eine Strukturierung aufgeprägt werden. Hierbei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Oberflächenstruktur pilzartige, wabenartige, rillenartige und/oder fingerartige Oberflächenstrukturen im Mikrometer oder Millimeterbereich aufweist. Dies bedeutet bevorzugt, dass eine Ausdehnung der Oberflächenstruktur, also die Höhe bzw. Tiefe der Erhebung bzw. Vertiefung der Oberflächenstruktur zwischen 0.05 µm und 5 mm +/- 10% beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Höhe bzw. Tiefe der Erhebung bzw. Vertiefung der Oberflächenstruktur zwischen 0.5 µm und 500 µm +/- 10%. Alternativ oder zusätzlich kann es dabei vorgesehen sein, dass die Oberflächenstruktur ein regelmäßiges Muster aufweist und/oder als Haifischhaut ausgebildet ist. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur nicht nur eine einzige Erhöhung oder Vertiefung umfasst, sondern eine Vielzahl von Erhöhungen und/oder Vertiefungen umfasst. Diese Erhöhungen und/oder Vertiefungen sind bevorzugt nicht zufällig über die Membran verteilt, sondern weisen eine regelmäßig Anordnung auf. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur der Membran eine Translationssymmetrie aufweist, es sich also um ein sich regelmäßig widerholendes Muster handelt. Bevorzugt handelt es sich um eine wabenartige Oberflächenstruktur, wobei eine sechseckige Erhöhung und/oder Vertiefung translationssymmetrisch die Fläche ausfüllt. Weiter bevorzugt handelt es sich um eine fingerartige oder pilzartige Erhöhung und/oder Vertiefung, wobei das Muster der Erhöhungen und/oder Vertiefungen durch eines der fünf zweidimensionalen Bravais-Gitter beschrieben werden kann. Die fingerartigen oder pilzartigen Strukturen der Membran bilden ein schiefwinkliges, ein quadratisches, ein rechteckiges, ein hexagonales oder ein rechteckig-flächenzentriertes Gitter. Weiter bevorzugt umfasst die Oberflächenstruktur der Membran hügelartige Erhöhungen mit scharfen spitzen Vertiefungen. Die Membran ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass die Oberflächenstruktur einem Abdruck bzw. Negativ eines Riblet, auch Haifischhaut genannt, entspricht.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberfläche der Membran, insbesondere des Grundabschnitts und/oder des Formabschnitts, wenigstens abschnittsweise, vorzugsweise an der Arbeitsraum zugewandten Seite der Membran, eine gemittelte Rautiefe von unter 63 µm, vorzugsweise unter 12 µm, weiter vorzugsweise zwischen 0,1 µm und 10 µm, insbesondere zwischen 0,1 µm und 3 µm, aufweist. Hierdurch wird eine Membran mit einer besonders glatten Oberfläche bereitgestellt, welche wiederum bei einem herzustellenden Formteil zu einer besonders glatten Oberfläche führt.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Membran wenigstens abschnittsweise zwischen dem ersten Presswerkzeug und dem zweite Presswerkzeug angeordnet ist und/oder dass das erste Presswerkzeug und/oder das zweite Presswerkzeug mit der Membran verbunden ist. Durch ein Verbinden der Membran mit einem der Presswerkzeuge, wird eine definierte Lagerung der Membran bereitgestellt.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass die Kavität wenigstens in der geschlossenen Stellung durch wenigstens eine Dichtung abgedichtet ist, dass mit der Dichtung eine Dichtungskraft auf die Membran aufbringbar ist und dass, vorzugsweise, die Membran relativ zu der Dichtung bewegbar ist. Durch eine entsprechende Dichtung wird ein Auslaufen des Arbeitsmediums aus der Kavität auf konstruktiv einfache Weise verhindert. Indem die Membran relativ zu der Dichtung bewegbar ist, führen Längenänderung der Membran, insbesondere durch Wärmeausdehnung oder Wärmeschrumpfung, nicht zu einer Überspannung der Membran oder einem ungleichmäßigen Aufliegen auf dem Werkstück bzw. dem herzustellenden Formteil. Zudem vereinfacht die Beweglichkeit der Membran relativ zu der Dichtung ein Vorspannen der Membran, da eine Vorspannung dann außerhalb des durch die Dichtung abgedichteten Bereichs auf die Membran aufgebracht werden kann. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Vorrichtung wenigstens eine Einrichtung zur Veränderung der Dichtungskraft der Dichtung umfasst. Hierdurch kann eine besonders dichte Abdichtung der Kavität erreicht werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug entlang einer Bewegungsachse zueinander bewegbar sind, dass das erste Presswerkzeug und/oder das zweite Presswerkzeug eine erste Pressebene und eine zweite Pressebene aufweist und dass die erste Pressebene und die zweite Pressebene des jeweiligen Presswerkezugs in Richtung der Bewegungsachse zueinander beabstandet sind. Durch entsprechend beabstandete Pressebenen wird die Herstellung von Formteilen mit komplexeren Geometrien weiter vereinfacht, da hierdurch die Form des Presswerkzeugs an die die Geometrie des Werkstücks bzw. des herzustellenden Formteils angepasst wird und somit Druck und/oder Temperatur gleichmäßiger aufgebracht werden kann. Vorteilhafterweise verläuft die Bewegungsachse horizontal oder vertikal. Die Bewegungsachse verläuft dabei vorzugsweise im Wesentlichen mittig durch das erste Presswerkzeug und/oder das zweite Presswerkzeug. Alternativ oder zusätzlich verläuft die Bewegungsachse im Wesentlichen mittig durch den Arbeitsraum.
Die Form des ersten Presswerkzeugs und/oder des zweiten Presswerkzeugs, insbesondere der ersten Pressebene und/oder der zweiten Pressebene des ersten Presswerkzeugs und/oder des zweiten Presswerkzeugs, entspricht dabei wenigstens an der Arbeitsraum und/oder Kavität angrenzenden Seite der Form der Membran, vorzugsweise der Form des Formabschnitts, an der Kavität und/oder Arbeitsraum angrenzenden Seite.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst wenigstens eine Einrichtung zur Veränderung der Vorspannung der Membran. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere bereits vor oder zu Beginn der Temperatur- und Druckbeaufschlagung des Werkstücks ein gleichmäßiges Anliegen der Membran an dem Werkstück vorliegt. Die Einrichtung zur Veränderung der Vorspannung der Membran kann beispielsweise durch eine Feder mit verstellbarem Federweg bzw. verstellbarer Vorspannung realisiert werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird zudem durch ein System zur Herstellung von Formteilen, insbesondere aus Faserverbundwerkstoff, umfassend: ein Werkstück, und eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 21, gelöst.
Gemäß einer Ausgestaltung des Systems ist vorgesehen, dass bei der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen die Form des Formabschnitts wenigstens in der offenen Stellung wenigstens abschnittsweise an die Form des Werkstücks durch plastische Verformung angepasst ist. Hierdurch kann ein gleichmäßiges Anliegen der Membran, insbesondere im Falle einer Membran aus Metall, an dem Werkstück bzw. dem herzustellenden Formteil erreicht werden, insbesondere bei Werkstücken bzw. Formteilen mit komplexer Geometrie. Vorzugsweise ist die Form des Formabschnitts wenigstens in der offenen Stellung wenigstens abschnittsweise an die Form des Werkstücks durch plastische Vorverformung des Formabschnitts angepasst.
Die eingangs genannte Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen, insbesondere aus Faserverbundwerkstoff, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Werkstücks, b) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 21, und c) Beaufschlagen des Werkstücks mit Druck und/oder Temperatur mittels der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen, gelöst. Das Verfahren umfasst vorteilhafterweise zudem den Schritte b1) Einlegen des Werkstücks in die Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen. Vorzugsweise wird im Schritt b1) das Werkstück in den Arbeitsraum eingelegt. Zudem befinden sich im Schritt b1) die Presswerkzeuge vorteilhafterweise in der offenen Stellung. Das Verfahren umfasst zudem vorzugsweise den Schritt b2) Bewegen des ersten Presswerkzeugs und des zweiten Presswerkzeugs von der offenen Stellung in die geschlossene Stellung. Der Schritt b1) und/oder der Schritt b2) erfolgen dabei vorzugsweise nach dem Schritt a) und/oder dem Schritt b). Der Schritt b1) und/oder der Schritt b2) erfolgen alternativ oder zusätzlich zudem vorzugsweise vor dem Schritt c). Ferner erfolgt vorzugsweise der Schritt b 1) vor dem Schritt b2).
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei der in Schritt b) bereitgestellten Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen die Form des Formabschnitts wenigstens in der offenen Stellung wenigstens abschnittsweise an die Form des Werkstücks durch plastische Verformung angepasst ist. Hierdurch kann ein gleichmäßiges Anliegen der Membran, insbesondere im Falle einer Membran aus Metall, an dem Werkstück bzw. dem herzustellenden Formteil erreicht werden, insbesondere bei Werkstücken bzw. Formteilen mit komplexer Geometrie. Vorzugsweise ist die Form des Formabschnitts wenigstens in der offenen Stellung wenigstens abschnittsweise an die Form des Werkstücks durch plastische Vorverformung des Formabschnitts angepasst.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen im Querschnitt, wobei die Presswerkzeuge der Vorrichtung sich in der offenen Stellung befinden,
2 die Vorrichtung aus 1, wobei ein Werkstück in den Arbeitsraum der Vorrichtung eingelegt ist und die Presswerkzeuge der Vorrichtung sich in der offenen Stellung befinden,
3 die Vorrichtung aus 1, wobei ein Werkstück in den Arbeitsraum der Vorrichtung eingelegt ist und die Presswerkzeuge der Vorrichtung sich in der geschlossenen Stellung befinden,
4 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen im Querschnitt, wobei die Vorrichtung zwei Membranen umfasst und die Presswerkzeuge der Vorrichtung sich in der offenen Stellung befinden,
5 eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen im Querschnitt, wobei die Presswerkzeuge der Vorrichtung sich in der offenen Stellung befinden,
6 die Vorrichtung aus 5, wobei die Membran um wenigstens zwei senkrecht zueinander verlaufende Achsen gekrümmt ist und die Presswerkzeuge der Vorrichtung sich in der offenen Stellung befinden,
7a einen Ausschnitt einer Membran der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen mit einer ersten Oberflächenstruktur und die hierdurch auf dem Formteil aufgebrachte Strukturierung, und
7b einen Ausschnitt einer Membran der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen mit einer zweiten Oberflächenstruktur und die hierdurch auf dem Formteil aufgebrachte Strukturierung.

1 zeigt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen 1 im Querschnitt, wobei die Presswerkzeuge 2, 3 der Vorrichtung sich in der offenen Stellung befinden. In die Vorrichtung ist dabei noch kein Werkstück eingelegt.
Die Vorrichtung 1 umfasst ein erstes - oberes - Presswerkzeug 2 sowie ein zweites - unteres - Presswerkzeug 3. Die beiden Presswerkzeuge 2, 3 sind relativ zueinander zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung bewegbar, beispielsweise in vertikaler Richtung (in 1 angedeutet durch Pfeile). Hierbei ist es ausreichend, wenn nur eines der beiden Presswerkzeuge 2,3, insbesondere das erste Presswerkzeug 2, beweglich gelagert ist.
Zudem umfasst die Vorrichtung 1 eine Membran 4, die in der vorliegenden Ausführungsform mit dem ersten Presswerkzeug 2 verbunden ist. Alternativ zu der in 1 gezeigten Ausgestaltung könnte die Membran 4 beispielsweise auch mit dem zweiten Presswerkzeug 3 verbunden sein. Zwischen der Membran 4 und dem ersten Presswerkzeug 2 bildet sich eine Kavität 5 für ein Arbeitsmedium, beispielsweise Öl. Die Membran 4 ist aus Metall hergestellt und weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich zwischen 0,05 mm und 4,0 mm auf. Die Kavität 5 kann über einen Kanal 6 mit dem Arbeitsmedium befüllt werden. Sowohl in dem ersten Presswerkzeug 2 als auch in dem zweiten Presswerkzeug 3 sind Bohrungen 7 vorgesehen, durch die ein Heiz- und/oder Kühlmedium geleitet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann das erste Presswerkzeug 2 und/oder das zweite Presswerkzeug 3 auch ein in das jeweilige Presswerkzeug 2,3 einsetzbares Heizelement, insbesondere einsetzbare Heizplatte, umfassen.
Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung der Vorrichtung 1 bildet sich zwischen den beiden Presswerkzeugen 2, 3 ein Arbeitsraum 8 aus, wobei vorliegend der Arbeitsraum 8 insbesondere zwischen der Membran 4 und dem zweiten Presswerkezug 3 ausgebildet ist. In den Arbeitsraum kann ein (in 1 nicht gezeigtes) Werkstück eingelegt werden. Die beiden Presswerkzeuge 2, 3 weisen vorzugsweise eine Führung 9 auf, die beispielsweise durch einen Vorsprung 9A und eine Ausnehmung 9B gebildet sein kann, wobei der Vorsprung 9A an dem zweiten Presswerkzeug 3 vorgesehen sein kann und wobei die Ausnehmung 9B an dem ersten Presswerkzeug 2 vorgesehen sein kann.
Die Membran 4 ist mit dem ersten Presswerkzeug 2 auf die folgende Weise verbunden: Das erste Presswerkzeug 2 weist ein umlaufendes Randelement 10 auf, das mit dem ersten Presswerkzeug 2 verbunden ist, insbesondere verschraubt ist (die Verschraubung ist in 1 nicht dargestellt). Zwischen dem ersten Presswerkzeug 2 und seinem Randelement 10 bildet sich ein Spalt 11, durch den die Membran 4 hindurch geführt wird. Der Spalt 11 mündet in einen Hohlraum 12, in dem eine Klemmeinrichtung 13 vorgesehen ist, in die die Membran 4 eingeklemmt ist. Die Klemmeinrichtung 13 ist mit einem Zuganker 14 verbunden, der durch eine Öffnung aus dem ersten Presswerkzeug 2 und dem Randelement 10 herausgeführt wird und dort durch eine sich an der Außenfläche abstützende Feder 15 nach außen gedrückt wird, wodurch die Membran 4 mit einer Vorspannung versehen wird. Die Feder 15 ist dabei Bestandteil einer Einrichtung zur Veränderung der Vorspannung der Membran 4.
Zur Abdichtung der Kavität 5 ist in dem Spalt 11 eine Dichtung 16 vorgesehen, die eine Bewegung der Membran 4 erlaubt. Die Dichtung 16 drückt dabei mit einer Dichtungskraft auf die Membran 4. Zur Veränderung der Dichtungskraft ist vorliegend eine Einrichtung zur Veränderung der Dichtungskraft 17 der Dichtung 16 vorgesehen.
Bei der vorliegenden in 1 dargestellten Ansicht verläuft die Querachse Q der Membran 4 von links nach rechts, die Längsachse L der Membran 4 in die Bildebene der 1 hinein und die Hochachse H der Membran 4 von unten nach oben. Die Achsen sind in der 1 und den nachfolgenden Figuren entsprechenden eingezeichnet. In 1 verläuft folglich die Quererstreckung der Membran 4 im Wesentlichen von links nach rechts bzw. von rechts nach links und die Längserstreckung der Membran 4 im Wesentlichen in die Bildebene der 1 hinein bzw. aus der Bildebene der 1 heraus.
Die Membran 4 weist dabei wenigstens einen elastisch verformbaren Grundabschnitt G, G' zum Kontaktieren des Werkstücks, insbesondere auch des herzustellenden Formteils, und wenigstens einen plastisch vorverformten Formabschnitt F zum Kontaktieren des Werkstücks, insbesondere auch des herzustellenden Formteils, auf. Bei der vorliegend gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung 1 ist entlang der Quererstreckung der Membran 4 ein erster Grundabschnitt G, an den ersten Grundabschnitt G angrenzend der Formabschnitt F und an den Formabschnitt F angrenzend ein zweiter Grundabschnitt G' vorgesehen. Der Formabschnitt F ist dabei gegenüber den Grundabschnitten G, G' plastisch vorverformt. Durch die plastische Vorverformung ist dem Formabschnitt F eine von dem wenigstens einen Grundabschnitt G, G', vorzugsweise beiden Grundabschnitten G, G', abweichende Form aufgeprägt. Bei der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich der Formabschnitt F nämlich nicht parallel zu den Grundabschnitten G, G', sondern abschnittsweise schräg zu den Grundabschnitten G, G'. Durch die plastische Vorverformung des Formabschnitts F können mit der Vorrichtung 1 Werkstücke mit komplexen Geometrien bearbeitet und Formteile mit komplexen Geometrien hergestellt werden. Insbesondere bei Vorrichtungen 1 mit einer Membran 4 aus Metall ist nämlich eine elastische Verformung der Membran 4, um mit der Membran 4 der Form von Werkstücken bzw. herzustellenden Formteilen mit komplexer Geometrie zu folgen, nur bis zu einem gewissen Grad möglich.
Aufgrund der plastischen Vorverformung des Formabschnitts F sind die Grundabschnitte G, G' stärker elastisch verformbar als der Formabschnitt F. Die Grundabschnitte G, G' können sich im Vergleich zum Formabschnitt F stärker durch elastische, insbesondere linear-elastische, Verformung in Richtung des Arbeitsraums 8 verformen. Trotzdem kann der Formabschnitt F, zumindest in einem gewissen Maß, sich auch weiterhin elastisch verformen.
Der Formabschnitt F weist dabei vorliegend an seinen äußeren Bereichen entlang der Quererstreckung der Membran 4 jeweils einen Knick K, K' auf. Die Knicke K, K' sind dabei durch die plastische Vorverformung des Formabschnitts F gegenüber den Grundabschnitten G, G' erzeugt. Im Bereich der Knicke K, K' weist die Form des Formabschnitts F gegenüber der Form des Grundabschnitts G, G' eine abweichende Krümmung auf, sowohl vom Betrag der Krümmung als auch vom Vorzeichen der Krümmung. So weisen die Grundabschnitte G, G', insbesondere der an den Formabschnitt angrenzende Randbereich des jeweiligen Grundabschnitts G, G', eine Krümmung von null auf, da die Grundabschnitte G, G' jeweils gerade verlaufen. Der Formabschnitt F weist hingegen im Bereich der Knicke K, K' eine Krümmung mit einem Betrag ungleich null auf und somit eine Abweichung der Krümmung gegenüber den Grundabschnitten G, G'.
Die Abweichung der Krümmung sowie das Vorliegen einer entgegengesetzten Krümmung liegt dabei vorliegend sowohl zwischen der Krümmung der Form des Formabschnitts F an der Kavität 5 angrenzenden Seite des Formabschnitts F und der Krümmung der Form der Grundabschnitte G, G', vorzugsweise der Krümmung der Form des an den Formabschnitt F jeweils angrenzenden Randbereichs der Grundabschnitte G, G', an der Kavität 5 angrenzenden Seite der Grundabschnitte G, G' vor, als auch zwischen der Krümmung der Form des Formabschnitts F an der Arbeitsraum 8 angrenzenden Seite des Formabschnitts F und der Krümmung der Form der Grundabschnitte G, G', vorzugsweise der Krümmung der Form des an den Formabschnitt F jeweils angrenzenden Randbereichs der Grundabschnitte G, G', an der Arbeitsraum 8 angrenzenden Seite der Grundabschnitte G, G'.
Der Formabschnitt F erstreckt sich dabei vorliegend abschnittsweise schräg, hier insbesondere in einem Winkel von 45°, jeweils zu den Grundabschnitten G, G'. Der Formabschnitt F ist dabei vorliegend, insbesondere an der Kavität 5 angrenzenden Seite des Formabschnitts F und an der Arbeitsraum 8 angrenzenden Seite des Formabschnitts F, wenigstens abschnittsweise von dem ersten Grundabschnitten G, insbesondere dem an den Formabschnitt F angrenzenden Randbereichs des ersten Grundabschnitts G, in Richtung der Kavität 5, insbesondere im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Randbereichs, und abschnittsweise von dem zweiten Grundabschnitten G', insbesondere dem an den Formabschnitt F angrenzenden Randbereichs des zweiten Grundabschnitts G', in Richtung des Arbeitsraums 8, insbesondere im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Randbereichs, jeweils mit einem Abstand beabstandet, wobei der Abstand wenigstens der Membrandicke entspricht.
Die Abweichung der Krümmung zwischen der Form des Formabschnitts F und der Form der Grundabschnitte G, G' ist vorliegend mittels plastischer Verformung, insbesondere mittels der plastischen Vorverformung, des Formabschnitts F erzeugt. Trotz dieser plastischen Verformung bzw. Vorverformung weicht die Membrandicke des Formabschnitts F höchstens um 40% von der Membrandicke der Grundabschnitte G, G' ab.
2 zeigt die Vorrichtung aus 1, wobei ein Werkstück 18 in den Arbeitsraum 8 der Vorrichtung 1 eingelegt ist und die Presswerkzeuge 2, 3 der Vorrichtung 1 sich in der offenen Stellung befinden. Diejenigen Bereiche der Vorrichtung 1, die bereits zuvor beschrieben worden sind, sind in 2 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Der Unterschied zu der 1 liegt darin, dass das Werkstück 18 in den Arbeitsraum 8 eingelegt worden ist.
3 zeigt die Vorrichtung 1 aus 1, wobei ein Werkstück 18 in den Arbeitsraum 8 der Vorrichtung 1 eingelegt ist und die Presswerkzeuge 2, 3 der Vorrichtung 1 sich in der geschlossenen Stellung befinden. Diejenigen Bereiche der Vorrichtung 1, die bereits zuvor beschrieben worden sind, sind auch in 3 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Vorrichtung 1 wurde geschlossen und die Presswerkzeuge 2, 3 befinden sich somit in der geschlossenen Stellung, indem die beiden Presswerkzeuge 2, 3 aufeinander zu bewegt worden sind. In der in 3 gezeigten geschlossenen Stellung wird das Werkstück 18 mit Druck und Temperatur beaufschlagt. Die Beaufschlagung mit Druck erfolgt, indem ein Arbeitsmedium, beispielsweise Öl, durch den Kanal 6 in die Kavität 5 geleitet wird, wodurch die Membran 4 in Richtung des Werkstücks 18 gepresst wird. Die Beaufschlagung mit Temperatur kann auf unterschiedliche Weise erfolgen: Eine Möglichkeit besteht darin, das durch den Kanal 6 in die Kavität 5 geleitete Arbeitsmedium zu erhitzen, so dass die Wärme von dem in der Kavität 5 befindlichen Arbeitsmedium durch die Membran 4 auf das Werkstück 18 übertragen wird. Umgekehrt könnte das Arbeitsmedium gekühlt werden, um das Werkstück 18 zu kühlen. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann vorgesehen sein, dass die Bohrungen 7 von einem Heiz- und/oder Kühlmedium durchströmt werden, wodurch zunächst die beiden Presswerkzeuge 2, 3 und anschließend auch das Werkstück 18 aufgeheizt oder abgekühlt werden können.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen 1 im Querschnitt, wobei die Vorrichtung 1 zwei Membranen 4 umfasst und die Presswerkzeuge 2,3 der Vorrichtung 1 sich in der offenen Stellung befinden. Zudem ist ein Werkstück 18 in den Arbeitsraum 8 der Vorrichtung 1 eingelegt. Die in 4 gezeigte zweite Ausführungsform der Vorrichtung 1 unterscheidet sich von der zuvor in den 1 bis 3 gezeigten ersten Ausführungsform der Vorrichtung 1 im Wesentlichen dadurch, dass an dem zweiten Presswerkzeug 3 ebenfalls eine Membran 4' vorgesehen ist. Gleiche Bauteile der Ausführungsformen weisen vorliegend auch gleiche Bezugszeichen auf. Nachfolgend wird im Wesentlichen lediglich auf die Unterschiede der Ausführungsformen genauer eingegangen.
Bei der Vorrichtung 1 der 4 ist sowohl am ersten Presswerkzeug 2 als auch am zweiten Presswerkzeug 3 jeweils eine Membran 4, 4' vorgesehen. Das erste Presswerkzeug 2 und die damit verbundene erste Membran 4 sind dabei wie in den 1 bis 3 ausgestaltet. Das zweite Presswerkzeug 3 umfasst bei dieser Ausführungsform ebenfalls eine plastisch vorverformte zweite Membran 4'. Die erste Membran 4 und die zweite Membran 4' sind dabei gleich ausgestaltet. So weist die zweite Membran 4' aufgrund einer plastischen Vorverformung ebenfalls einen Formabschnitt F und zwei Grundabschnitte G, G' auf, wobei die Form des Formabschnitts F wenigstens abschnittsweise eine abweichende Krümmung zu der Form der Grundabschnitte G, G' aufweist. Durch das Vorsehen von zwei Membranen 4, 4' kann von zwei Seiten, vorliegend von oben und von unten, gleichzeitig das Werkstück 18 mit Druck und Temperatur beaufschlagt werden. Wie bereits bei der ersten Ausführungsform der Vorrichtung 1, können die Presswerkzeuge 2, 3 zueinander von einer offenen Stellung in eine geschlossene Stellung bewegt werden (in 4 angedeutet durch Pfeile). Zwischen dem ersten Presswerkzeug 2 und dem zweiten Presswerkzeug 3, insbesondere zwischen der ersten Membran 4 und der zweiten Membran 4', ist dabei vorliegend der Arbeitsraum 8 ausgebildet.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen 1 im Querschnitt, wobei die Presswerkzeuge 2, 3 der Vorrichtung 1 sich in der offenen Stellung befinden. Zudem ist ein Werkstück 18 in den Arbeitsraum 8 der Vorrichtung 1 eingelegt. Die in 5 gezeigte dritte Ausführungsform der Vorrichtung 1 unterscheidet sich von der zuvor in den 1 bis 3 gezeigten ersten Ausführungsform der Vorrichtung 1 im Wesentlichen durch die Form der Presswerkzeuge 2, 3 und die Form der Membran 4. Gleiche Bauteile der Ausführungsformen weisen auch gleiche Bezugszeichen auf. Nachfolgend wird im Wesentlichen lediglich auf die Unterschiede der Ausführungsformen genauer eingegangen.
Bei der dritten Ausführungsform der Vorrichtung 1 weisen zum einen die beiden Presswerkzeuge 2, 3 eine im Wesentlichen kreisbogenförmige Form auf. Zudem weist die Membran 4 abschnittsweise ebenfalls eine im Wesentlichen kreisbogenförmige Form auf, insbesondere im Bereich der Grundabschnitte G, G'. Die Grundabschnitte G, G weisen dabei aufgrund von elastischer Verformung, vorliegend bedingt durch die Schwerkraft, im Wesentlichen eine durchgängige Krümmung auf. Der plastisch vorverformte Formabschnitt F weist dabei eine im Wesentlichen S-förmige Form aufgrund der plastischen Vorverformung, insbesondere gegenüber den Grundabschnitten G, G', auf. Die Form des Formabschnitts F ist dabei an die komplexe Geometrie des Werkstücks 18 und des daraus herzustellenden Formteils angepasst, welches Werkstück 18 in dem Arbeitsraum 8 der Vorrichtung 1 angeordnet ist. Die Krümmung der Form des Formabschnitts F ist dabei entlang Quererstreckung der Membran 4 gegenüber der Krümmung des an den Formabschnitt F jeweils angrenzenden Randbereichs des jeweiligen Grundabschnitts G, G'wenigstens abschnittsweise abweichend ausgestaltet. Zudem ist die Krümmung der Form des Formabschnitts F entlang Quererstreckung der Membran 4 wenigstens abschnittsweise entgegengesetzt zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt F jeweils angrenzenden Randbereichs des jeweiligen Grundabschnitts G, G' ausgestaltet. So verläuft die Krümmung der Form des Formabschnitts F im Bereich des zweiten Knicks K' entgegengesetzt zu der Krümmung der Form der Grundabschnitte G, G'.
6 zeigt die Vorrichtung 1 aus 5, wobei die Membran 4 um wenigstens zwei senkrecht zueinander verlaufende Achsen gekrümmt ist und die Presswerkzeuge 2, 3 der Vorrichtung 1 sich in der offenen Stellung befinden. Zudem ist ein Werkstück 18 in dem Arbeitsraum 8 der Vorrichtung 1 eingelegt. 6 unterscheidet sich von 5 im Wesentlichen lediglich durch die Form der Membran 4. Gleiche Bauteile weisen daher auch gleiche Bezugszeichen auf. Nachfolgend wird im Wesentlichen lediglich auf die Unterschiede eingegangen.
Die Membran 4 in 6 weist dabei wie in 5 einen plastisch vorverformten Formabschnitt F sowie zwei elastisch verformbare Grundabschnitte G, G' auf. Die in 6 gezeigte Membran 4 ist jedoch auch um wenigstens zwei senkrecht zueinander stehende Achsen gekrümmt. Die Membran 4 weist dabei insbesondere für den in die Bildebene der 6 hineinerstreckenden Teil der Membran 4 abschnittsweise eine Krümmung um die Querachse Q und eine Krümmung um die Längsachse L auf. Bei der vorliegenden Membran 4 ist dabei insbesondere die Form des Formabschnitts F um die Querachse Q und die Längsachse L gekrümmt, wobei die Form der Grundabschnitte G, G' wenigstens abschnittsweise ebenfalls um die Querachse Q und die Längsachse L gekrümmt ist. Hierdurch lassen sich Formteile mit sehr komplexen Geometrien, wie sie beispielsweise ein doppelgekrümmtes Cockpit eines Flugzeugs aufweist, herstellen.
7a zeigt einen Ausschnitt einer Membran 4 der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen 1 mit einer ersten Oberflächenstruktur 20 und die hierdurch auf dem Formteil 19 aufgebrachte Strukturierung 21. Das Formteil 19 ist dabei aus dem Werkstück 18 hergestellt. In 7a ist die Strukturierung 21 als Riblet-Struktur bzw. Haifischhaut ausgebildet. Durch die Riblet-Struktur weist das Formteil 19 einen geringen Strömungswidersand auf. Die Ribelt-Struktur weist regelmäßig beabstandete Rippen 22 mit scharfen Spitzen auf, wobei die Spitzen im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils 50 µm voneinander entfernt sind. Die Höhe der Rippen 22 bzw. die Tiefe der durch die beabstandeten Rippen 22 gebildeten Rillen beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils 70 µm. Die Riblet-Strutkur auf dem Formteil 19 wird durch die Oberflächenstruktur 20 der Membran 4 auf das Werkstück 18 und somit das Formteil 19 geprägt, wobei die Oberflächenstruktur 20 einem Negativ der Riblet-Struktur entspricht.
7b zeigt einen Ausschnitt einer Membran 4 der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen 1 mit einer zweiten Oberflächenstruktur 20' und die hierdurch auf dem Formteil 19 aufgebrachte Strukturierung 21'. Die Strukturierung 21' des Formteils 19 ist hierbei fingerartige und erzeugt einen Lotos-Effekt, lässt also Wasser auf der Oberfläche des Formteils 19 abperlen. Die Finger 23 der fingerartigen Strukturierung sind etwa 100 µm lang, 20 µm breit und jeweils 30 µm voneinander beabstandet.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen
2: erstes Presswerkzeug
3: zweites Presswerkzeug
4, 4': Membran
5: Kavität
6: Kanal
7: Bohrungen
8: Arbeitsraum
9: Führung
9A: Vorsprung
9B: Ausnehmung
10: Randelement
11: Spalt
12: Hohlraum
13: Klemmeinrichtung
14: Zuganker
15: Feder
16: Dichtung
17: Einrichtung zur Veränderung der Dichtungskraft
18: Werkstück
19: Formteil
20, 20': Oberflächenstruktur
21, 21': Strukturierung
22: Rippe
23: Finger
F: Formabschnitt
G, G': Grundabschnitt
H: Hochachse
K, K', K": Knick
L: Längsachse
Q: Querachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017113595 A1 [0007]
US 20160297153 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen (1), insbesondere aus Faserverbundwerkstoff, umfassend: - ein erstes Presswerkzeug (2), - ein zweites Presswerkzeug (3), und - wenigstens eine Membran (4, 4') zum Kontaktieren eines Werkstücks (18), - wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung relativ zueinander bewegbar sind, - wobei sich zwischen der Membran (4, 4') und dem ersten Presswerkzeug (2) und/oder dem zweiten Presswerkzeug (3) wenigstens in der geschlossenen Stellung eine Kavität (5) für ein Arbeitsmedium ausbildet, - wobei sich zwischen dem ersten Presswerkzeug (2) und dem zweiten Presswerkzeug (3), insbesondere zwischen der Membran (3) und dem ersten Presswerkzeug (2) und/oder dem zweiten Presswerkzeug (3), ein Arbeitsraum (8) zur Aufnahme des Werkstücks (18) ausbildet, und - wobei die Membran (4, 4') eine Membrandicke, eine Längserstreckung und eine Quererstreckung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4, 4'), insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder der Quererstreckung der Membran (4, 4'), wenigstens einen elastisch verformbaren Grundabschnitt (G, G') zum Kontaktieren des Werkstücks (18) und wenigstens einen plastisch vorverformten Formabschnitt (F) zum Kontaktieren des Werkstücks (18) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in der offenen Stellung der Formabschnitt (F), insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder der Quererstreckung der Membran (4, 4'), relativ zu dem Grundabschnitt (G, G') plastisch vorverformt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4, 4') aus Metall, vorzugsweise Stahl, insbesondere aus Edelstahl, hergestellt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundabschnitt (G, G') stärker elastisch verformbar ist als der Formabschnitt (F) und/oder dass die Membran (4, 4'), insbesondere der Grundabschnitt (G, G'), durch elastische Verformung in Richtung des Arbeitsraum (8) verformbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in der offenen Stellung die Krümmung der Form des Formabschnitts (F), insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder Quererstreckung der Membran (4, 4'), wenigstens abschnittsweise abweichend zu wenigstens einer Krümmung der Form des Grundabschnitts (G, G'), vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt (F) angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts (G, G'), ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in der offenen Stellung die Krümmung der Form des Formabschnitts (F) an der Kavität (5) angrenzenden Seite des Formabschnitts (F) wenigstens abschnittsweise abweichend zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts (G, G'), vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt (F) angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts (G, G'), an der Kavität (5) angrenzenden Seite des Grundabschnitts (G, G') und/oder die Krümmung der Form des Formabschnitts (F) an der Arbeitsraum (8) angrenzenden Seite des Formabschnitts (F) wenigstens abschnittsweise abweichend zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts (G, G'), vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt (F) angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts (G, G'), an der Arbeitsraum (8) angrenzenden Seite des Grundabschnitts (G, G') ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in der offenen Stellung die Krümmung der Form des Formabschnitts (F), insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder Quererstreckung der Membran (4, 4'), wenigstens abschnittsweise entgegengesetzt zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts (G, G'), vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt (F) angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts (G, G'), ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in der offenen Stellung die Krümmung der Form des Formabschnitts (F) an der Kavität (5) angrenzenden Seite des Formabschnitts (F) wenigstens abschnittsweise entgegengesetzt zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts (G, G'), vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt (F) angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts (G, G'), an der Kavität (5) angrenzenden Seite des Grundabschnitts (G, G') und/oder die Krümmung der Form des Formabschnitts (F) an der Arbeitsraum (8) angrenzenden Seite des Formabschnitts (F) wenigstens abschnittsweise entgegengesetzt zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts (G, G'), vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt (F) angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts (G, G'), an der Arbeitsraum (8) angrenzenden Seite des Grundabschnitts (G, G') ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung der Krümmung der Form des Formabschnitts (F) zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts (G, G'), vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt (F) angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts (G, G'), mittels plastischer Verformung, insbesondere der Form, des Formabschnitts (F) erzeugt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zu der wenigstens einen Krümmung der Form des Grundabschnitts (G, G'), vorzugsweise zu der Krümmung der Form des an den Formabschnitt (F) angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts (G, G'), abweichende Krümmung der Form des Formabschnitts (F), insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder der Quererstreckung der Membran (4, 4'), über eine Länge von wenigstens 6 mm, vorzugsweise wenigstens 50 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 70 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 100 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 150 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 500 mm, insbesondere wenigstens 1000 mm, erstreckt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in der offenen Stellung der Formabschnitt (F) und/oder der Grundabschnitt (G, G'), insbesondere die Form des Formabschnitts (F) und/oder die Form des Grundabschnitts (G, G'), wenigstens abschnittsweise um die Längsachse (L) der Membran (4, 4') oder eine zur Längsachse (L) der Membran (4, 4') parallele Achse, um die Querachse (Q) der Membran (4, 4') oder eine zur Querachse (Q) der Membran (4, 4') parallele Achse und/oder um die Hochachse (H) der Membran (4, 4') oder eine zur Hochachse (H) der Membran (4, 4') parallele Achse gekrümmt sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass dass wenigstens in der offenen Stellung der Formabschnitt (F), insbesondere an der Kavität (5) angrenzenden Seite des Formabschnitts (F) und/oder an der Arbeitsraum (8) angrenzenden Seite des Formabschnitts (F), wenigstens abschnittsweise von dem Grundabschnitt (G, G'), insbesondere dem an den Formabschnitt (F) angrenzenden Randbereich des Grundabschnitts (G, G'), in Richtung der Kavität (5) und/oder in Richtung des Arbeitsraums (8), insbesondere im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des an den Formabschnitt (F) angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts (G, G'), mit einem Abstand beabstandet ist und dass der Abstand wenigstens der Membrandicke entspricht.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in der offenen Stellung sich der Formabschnitt (F), insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder Quererstreckung der Membran (4, 4'), wenigstens abschnittsweise schräg zu dem Grundabschnitt (G, G') erstreckt und dass, vorzugsweise, zwischen dem Formabschnitt (F) und dem Grundabschnitt (G, G') wenigstens abschnittsweise ein Winkel von wenigstens 90°, vorzugsweise wenigstens 100°, insbesondere wenigstens 120°, und/oder ein Winkel von höchstens 180°, vorzugsweise höchstens 160°, insbesondere höchstens 145°, vorliegt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Formabschnitt (F) sich, insbesondere entlang der Längserstreckung und/oder der Quererstreckung der Membran (4, 4'), wenigstens 6 mm, vorzugsweise wenigstens 50 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 70 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 100 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 150 mm, weiter vorzugsweise wenigstens 500 mm, insbesondere wenigstens 1000 mm, erstreckt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrandicke des Formabschnitts (F) höchstens 40%, vorzugsweise höchstens 25%, weiter vorzugsweise höchstens 15%, insbesondere höchstens 10%, weiter insbesondere höchstens 5%, von der Membrandicke des Grundabschnitts (G, G'), insbesondere des an den Formabschnitt (F) angrenzenden Randbereichs des Grundabschnitts (G, G'), abweicht.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4, 4'), insbesondere der Grundabschnitt (G, G') und/oder der Formabschnitt (F), wenigstens abschnittsweise eine Oberflächenstruktur (20, 20') aufweist und dass, vorzugsweise, die Oberflächenstruktur (20, 20') auf der Arbeitsraum (8) angrenzenden Seite der Membran (4, 4'), insbesondere des Grundabschnitts (G, G') und/oder des Formabschnitts (F), angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Membran (4, 4'), insbesondere des Grundabschnitts (G, G') und/oder des Formabschnitts (F), wenigstens abschnittsweise, vorzugsweise an der Arbeitsraum (8) zugewandten Seite der Membran (4, 4'), eine gemittelte Rautiefe von unter 63 µm, vorzugsweise unter 12 µm, weiter vorzugsweise zwischen 0,1 µm und 10 µm, insbesondere zwischen 0,1 µm und 3 µm, aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4, 4') wenigstens abschnittsweise zwischen dem ersten Presswerkzeug (2) und dem zweite Presswerkzeug (3) angeordnet ist und/oder dass das erste Presswerkzeug (2) und/oder das zweite Presswerkzeug (3) mit der Membran (4, 4') verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (5) wenigstens in der geschlossenen Stellung durch wenigstens eine Dichtung (16) abgedichtet ist, dass mit der Dichtung (16) eine Dichtungskraft auf die Membran (4, 4') aufbringbar ist und dass, vorzugsweise, die Membran (4, 4') relativ zu der Dichtung (16) bewegbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) entlang einer Bewegungsachse zueinander bewegbar sind, dass das erste Presswerkzeug (2) und/oder das zweite Presswerkzeug (3) eine erste Pressebene und eine zweite Pressebene aufweist und dass die erste Pressebene und die zweite Pressebene des jeweiligen Presswerkezugs (2, 3) in Richtung der Bewegungsachse zueinander beabstandet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch wenigstens eine Einrichtung zur Veränderung der Vorspannung der Membran (4, 4').
System zur Herstellung von Formteilen (19), insbesondere aus Faserverbundwerkstoff, umfassend: - ein Werkstück (18), und - eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21.
System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen (1) die Form des Formabschnitts (F) wenigstens in der offenen Stellung wenigstens abschnittsweise an die Form des Werkstücks (18) durch plastische Verformung angepasst ist.
Verfahren zur Herstellung von Formteilen (19), insbesondere aus Faserverbundwerkstoff, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Werkstücks (18), b) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, und c) Beaufschlagen des Werkstücks (18) mit Druck und/oder Temperatur mittels der Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen (1).
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass bei der in Schritt b) bereitgestellten Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen (1) die Form des Formabschnitts (F) wenigstens in der offenen Stellung wenigstens abschnittsweise an die Form des Werkstücks (18) durch plastische Verformung angepasst ist.