振動輔助式自由成形製造的製作方法
2023-05-28 07:40:46
本公開涉及例如金屬板的振動輔助式自由成形製造。
背景技術：
金屬板成形通常使用衝壓工藝(在該衝壓工藝中，具有期望的幾何形狀的相對的工具將金屬板衝壓成期望的形狀)執行。衝壓對於大批量製造來說是非常高效的且具有成本效益的工藝。然而，對於小批量製造或原型製造(prototyping)，生產用於每個部件設計迭代的衝壓工具所需的成本和精力可能是過高的。能適時地產生有成本效益的原型的金屬板成形工藝將會是非常有益的。
技術實現要素：
在至少一個實施例中，提供了一種用於成形工件的系統。所述系統可包括用於接納具有相對的第一表面和第二表面的工件的固定組件、第一工具和第二工具、被構造成使第一工具振動的振動源。第一工具和第二工具可被構造成在第一工具通過振動源而振動時沿第一預定運動路徑和第二預定運動路徑運動並在第一表面和第二表面上施加力，以成形工件。
在一個實施例中，第一工具和第二工具被構造成沿第一預定運動路徑和第二預定運動路徑運動並在第一表面和第二表面上施加力以成形工件，而不穿過第一表面和第二表面。振動源可被構造成使第一工具以5至70kHz的頻率振動。振動源可被構造成使第一工具以1至50μm的振幅振動。
在一個實施例中，振動源可被構造成使第一工具沿與第一表面大體上平行的方向振動。在另一實施例中，振動源可被構造成使第一工具沿與第一表面大體上垂直的方向振動。所述系統還可包括操縱器，所述操縱器包括工具保持件，所述工具保持件被構造成保持第一工具，其中，振動源包括附著到工具保持件或與工具保持件一體的換能器。
第一預定運動路徑和第二預定運動路徑可以是相配合的或互補的，使得在工件的局部區域中向第一表面和第二表面施加壓力。在一個實施例中，振動源是第一振動源，且所述系統還包括被構造成使第二工具振動的第二振動源。第一振動源和第二振動源可被構造成使第一工具和第二工具以相同的頻率振動。
在至少一個實施例中，提供了一種系統，所述系統包括用於保持工件的固定件、第一工具和被構造成使第一工具振動的振動源。第一工具可被構造成在第一工具振動時沿工件的第一表面運動並在工件上對著第二工具施加力，以成形工件。
所述系統還可包括第一操縱器和第二操縱器，所述第一操縱器被構造成使第一工具沿著工件的第一表面沿多個軸線運動，所述第二操縱器被構造成使第二工具沿著工件的第二表面沿多個軸線運動。第二工具可包括具有表面輪廓的模具。振動源可被構造成使第一工具以5至70kHz的頻率和1至50μm的振幅振動。系統還可包括操縱器，所述操縱器包括工具保持件，所述工具保持件被構造成保持第一工具，其中，振動源包括附著到工具保持件或與工具保持件一體的換能器。
在至少一個實施例中，提供了一種成形包括相對的第一表面和第二表面的工件的方法。所述方法可包括定位第一工具和第二工具、利用振動源使第一工具振動以及使振動的第一工具和第二工具沿著第一成形路徑和第二成形路徑沿多個軸線運動使得第一工具和第二工具接觸第一表面和第二表面，以成形工件。
第一工具可通過工具保持件保持並可通過附著到工具保持件或與工具保持件一體的換能器振動。第一工具可以以至少1kHz的頻率振動。第一成形路徑和第二成形路徑可以是互補的且可在工件的局部區域中向第一表面和第二表面施加壓力。所述方法可包括使第一工具以5至70kHz的頻率振動，以將工件的局部區域加熱至工件的熔化溫度的20％至70％的溫度。
附圖說明
圖1是根據實施例的用於漸進地成形工件的系統的側視圖；
圖2是根據實施例的通過圖1的系統成形的工件的示意性側視圖；
圖3是根據另一實施例的通過圖1的系統成形的工件的示意性側視圖；
圖4是根據實施例的用於漸進地成形工件的包括振動源的系統的側視圖；
圖5是根據另一實施例的用於漸進地成形工件的包括振動源的系統的側視圖；
圖6是根據實施例的通過包括振動源的系統成形的工件的示意性側視圖；
圖7是根據另一實施例的通過包括振動源的系統成形的工件的示意性側視圖；
圖8是根據實施例的通過包括振動源和模具的系統成形的工件的示意性側視圖；
圖9是根據實施例的用於漸進地成形工件的包括振動源的系統可用的模具的截面的示例。
具體實施方式
根據需要，在此公開本發明的具體實施例；然而，應理解公開的實施例僅為本發明的實施例，這些實施例可以採用各種和替代的形式實施。附圖無需按比例繪製；可誇大或最小化一些特徵以顯示特定部件的細節。因此，在此所公開的具體結構和功能細節不應解釋為限定，而僅為用於教導本領域技術人員以多種形式利用本發明的代表性基礎。
申請人已經在第8,302,442號、第8,322,176號和第8,733,143號美國專利中公開了用於漸進地成形工件的多種系統和方法，在此這些專利的公開內容通過引用而整體包含於此。所公開的系統和方法可在具有成本效益和時間效益的情況下允許小批量地成形金屬板。參照圖1，示出了用於漸進地成形工件12的系統10的示例。系統10還可稱為自由成形製造系統。工件12可由具有期望的成形特性的任何合適的材料製成，例如金屬、合金、聚合材料或其組合。在至少一個實施例中，工件12可被設置為金屬板。在公開的系統10的一個或更多個實施例中，工件12可以大體上是平面的或者可以至少部分地預成形或者是非平面的。
系統10可包括支撐結構20、固定組件22、第一操縱器(manipulator)24、第二操縱器26和控制器28。支撐結構20可被設置成支撐多個系統組件。支撐結構20可具有任何合適的構造。在圖1示出的實施例中，支撐結構20的形狀大體上呈箱狀。當然，本公開預期支撐結構20可按照具有更多側部或更少側部的不同構造設置。在至少一個實施例中，支撐結構20可被構造為具有可彼此相對設置的第一平臺30和第二平臺32的框架。
一組支撐柱34可在第一平臺30和第二平臺32之間延伸。在一個或更多個實施例中，支撐柱34可被設置為實心構件或中空的管狀構件。可設置一個或更多個拉伸構件36用於對支撐結構20施加力以提供期望大小的穩定性和剛度。在至少一個實施例中，拉伸構件36可設置在支撐柱34的內側，並可施加使第一平臺30和第二平臺32朝向彼此偏置的拉力。拉伸構件36可以是任何合適的類型，例如壓縮缸、彈簧、先張杆等。在至少一個實施例中，可以調節拉伸構件36施加的力以提供不同的性能特性。
可在平臺30、32和支撐柱34之間設置多個開口，這可有助於接近系統組件以及工件12的安裝和拆卸。一個或更多個開口可至少部分地覆蓋有覆蓋材料(例如金屬或樹脂玻璃)，這有助於限定在其中進行工件成形的外殼層(envelope)。多個安全特徵可與開口或覆蓋材料關聯，以便以本領域技術人員公知的方式啟動或禁用系統操作。
固定組件22可被設置成支撐工件12。固定組件22可包括至少部分地限定開口40的框架。當固定組件22接納工件12時，開口40可以被工件12至少部分地覆蓋。可利用固定組件22設置多個夾具42，以約束工件12並對工件12施加力。夾具42可沿開口40的多個側部設置，並可具有任何合適的構造。例如，夾具42可以是手動的、氣動的、液壓致動的或電動的。此外，夾具42可被構造為在工件12上提供大小恆定或可調節的力。例如，一個或更多個夾具42可被構造為提供大小恆定的力以將工件12保持在固定位置。或者，一個或更多個夾具42可被構造為提供大小可調節的力以允許相對於開口40的期望量的材料牽引(draw)。
固定組件22可被構造為相對於支撐結構20運動。例如，固定組件22可被構造成朝向第一平臺30、第二平臺32和/或支撐柱34運動或者遠離第一平臺30、第二平臺32和/或支撐柱34運動。在圖1中，固定組件22可沿豎直軸線或Z軸運動。在至少一個實施例中，固定組件22可安裝在一個或更多個支撐構件44上，其中，支撐構件44可被構造為伸長、回縮和/或旋轉，以使固定組件22和工件12相對於至少一個成形工具運動，從而有助於為工件12提供額外的運動範圍並提高工件12的成形性。固定組件22可運動，使得它保持與第一平臺30或第二平臺32平行，或者使得固定組件22傾斜以實現非平行關係。固定組件22的運動可在成形工件12時發生。
第一定位裝置或第一操縱器24和第二定位裝置或第二操縱器26可被設置成定位成形工具。第一操縱器24和第二操縱器26可分別安裝在第一平臺30和第二平臺32上。或者，在本公開的一個或更多個實施例中，第一操縱器24和第二操縱器26可直接安裝在支撐結構22上。第一操縱器24和第二操縱器26可具有相同或不同的構造。例如，第一操縱器24和第二操縱器26可具有多個自由度，例如可具有至少六個自由度的六足操縱器，比如F-200i六足機器人型號的發那科機器人。這樣的操縱器通常可具有將基底接合到平臺的多個稜形連結或支杆。連結或支杆可以是線性致動器，例如能夠致動以使平臺相對於基底運動的液壓缸。具有六自由度的操縱器可單獨地沿三個直線方向和三個成角度的方向或任意的組合方向運動。例如，操縱器可被構造成使相關聯的工具沿多個軸線(諸如沿如不同的正交方向延伸的軸線，比如X軸、Y軸和Z軸)運動。
第一操縱器24和第二操縱器26可接納有助於成形工件12的多個部件。這些部件可包括負載單元50、加熱元件52、主軸54、工具保持件56、56』以及成形工具58、58』。一個或更多個負載單元50可被設置成檢測施加在工件12上的力。由負載單元50提供的數據可發送到控制器28並可用於監測和控制系統10的操作，這將在下面更詳細地描述。負載單元50可設置在支持準確數據收集的任何合適的位置，例如靠近加熱元件52、主軸54、工具保持件56、56』或成形工具58、58』。
加熱元件52可以是任何合適的類型，並可以是電加熱的或者非電加熱的。加熱元件52可提供能傳遞到工件12的能量，以幫助提供期望的成形和/或表面光潔度特性。加熱元件52可直接或間接地加熱工件12。例如，加熱元件52可設置在成形工具58、58』中或成形工具58、58』附近，以直接或間接地加熱成形工具58、58』進而加熱工件12。在至少一個其他實施例中，雷射器或加熱元件可直接加熱工件12的至少一部分。或者，一個或更多個加熱元件52可設置在諸如固定組件22的另一系統部件上。與第一操縱器24和第二操縱器26關聯的加熱元件52可同時操作或單獨操作。在至少一個實施例中，加熱元件52的操作可主要加熱工件12的一側，並可有助於在工件12的不同側或區域之間形成應力減小或表面光潔度特性方面的差異。
主軸54可被設置成使工具保持件56、56』和相關聯的成形工具58、58』繞旋轉軸線旋轉。如果設置的話，與不旋轉的成形工具相比而言，主軸54可安裝在操縱器24、26上並可提供額外的材料成形性能。此外，可對主軸54主動地或被動地控制。主動控制可通過對主軸54的旋轉進行編程或控制而進行，這可在使或不使主軸的運動與操縱器24、26的運動同步的情況下進行。被動控制可通過允許主軸54響應於對工件12施加的力(例如經成形工具傳遞到主軸54的力)自由旋轉而進行。
工具保持件56、56』可接納並保持成形工具58、58』。工具保持件56、56』可具有相同或不同的構造。工具保持件56、56』可包括能接納成形工具58、58』的一部分的孔。此外，工具保持件56、56』可利用夾具、定位螺釘、過盈配合或本領域技術人員公知的其他結構將成形工具58、58』保持在固定位置。工具保持件56、56』和/或成形工具58、58』還可與自動化工具更換器(changer)60關聯，該自動化工具更換器60可有助於快速互換或更換工具，這也是本領域技術人員所公知的。
成形工具58、58』可施加成形工件12的力。成形工具58、58』可具有任何合適的幾何結構，包括但不限於平坦的、彎曲的、球形的或錐形的形狀或其組合。此外，成形工具58、58』可構造有一個或更多個運動特徵或表面，例如輥。具有相同或不同的幾何結構的成形工具可利用第一操縱器24和第二操縱器26設置。成形工具的幾何結構、硬度和表面光潔度特性(例如，覆蓋層或紋理)的選擇可基於與工件材料的兼容性以及成形後的工件12的期望的形狀、光潔度、厚度或其他設計特性。
一個或更多個控制器28或控制模塊可設置用於控制系統10的操作。例如，控制器28可監測並控制固定組件22、操縱器24和26、負載單元50、加熱元件52、主軸54和工具更換器60的操作。控制器28可適於接收CAD數據並提供計算機數控(CNC)以根據設計規範成形工件12。此外，控制器28可監測並控制測量系統62的操作，該測量系統62可被設置成在成形過程期間監測工件12的尺寸特性。測量系統62可以是任何合適的類型。例如，測量可以基於與工件12的物理接觸，或者可以在不進行物理接觸的情況下例如利用雷射或光學測量系統執行。
如前所述，系統10可用於漸進地成形工件。在漸進成形中，通過一系列小的漸進變形將工件成形為期望的構造。這些小的漸進變形可通過使一個或更多個工具沿著或抵著一個或更多個工件表面運動而提供。工具運動可沿預定的或編程好的路徑進行。此外，工具運動路徑還可基於例如來自負載單元的測量到的反饋而適應性地實時編程。因此，成形可在至少一個工具運動時漸進地發生而不用從工件去除材料。
在一個實施例中，將要漸進地成形的材料可被裝載在系統中。可手動或自動地將可被至少部分地預成形的材料置於固定組件22中並使其在固定組件22中與開口40的至少一部分對齊。然後可夾持住工件以將材料保持在期望的位置，如前所述。此外，可在將要成形的材料的一個或更多個表面上設置比如蠟或潤滑劑的摩擦降低材料，以幫助降低摩擦和/或提高光潔度。
然後可將材料「粗成形」或大體上成形為中間形狀。粗成形會使材料的形狀變化，使得工件的至少一部分不會成形為最終形狀或目標形狀。粗成形可通過第一操縱器24和第二操縱器26的操作而完成。例如，控制器28可執行使操縱器24、26運動的程序，使得它們各自的工具接觸材料並對材料施加力以改變其形狀。一個或更多個工具可用於粗成形材料。與使用一個以上的工具相比，使用一個工具會導致對工件的局部變形控制降低。使用多個工具結果可提高尺寸精度，這是因為在工件一側施加的力會受位於工件相對側的工具施加的力影響或者至少部分地偏置。這樣，一個工具可提供局部支撐，這減少了材料的局部運動。
在粗成形期間，操縱器可定位工具或使工具運動，使得它們不會相對地接近(即，工具在位於工件的相對側或不同側時不會接近或對齊)，如圖2所示。在圖2中，示出的第一工具58和第二工具58』對工件12施加力，從而產生彎曲表面。在粗成形期間，第一工具和第二工具可沿相同或不同的路徑運動，這樣的運動可彼此同步或者彼此不同步。
然後，材料可進行「成品成形(finish formed)」，從而獲得最終期望形狀的工件。成品成形可補償設計意圖的偏離，這些偏離可能是由於粗成形導致的金屬鬆弛和工件的整體變形和/或與設計意圖不同的工具接觸位置或工具定位而導致的。成品成形可通過致動操縱器進行，使得多個工具相對地彼此接近(即，工具在位於工件的相對側或不同側時接近或對齊)地定位。在圖3中示出了成品成形的示例性描述。在成品成形期間，可通過在工件的不同側施加力使得由一個工具施加的力由於另一個工具施加的力而至少部分地偏移或抵消來調節或糾正從期望形狀或目標形狀的偏離。更具體地，工具可充分接近地定位，以幫助更精確地控制工件成形。操縱器可在成品成形期間使工具大體上沿相似的路徑運動到相似的位置，從而獲得和/或保持足夠的接近度。
在成品成形步驟之後，可估計成形的工件的尺寸。可使用先前描述的測量系統完成尺寸估計。如果一個或更多個尺寸特徵不在預定公差內，則可執行其他成形操作和/或可進行編程調節。然後可從系統上移除成品工件。更具體地，可釋放夾具並使夾具與工件分離，從而可將材料從固定組件上移除。
金屬板的自由成形製造依賴於兩個觸針式成形工具之間的與這兩個工具接觸的材料的局部塑性變形。通過彼此偏移的重複的成形道次，對夾具壓力和兩個接觸觸針式尖端的位移的控制可逐漸使材料牽引(draw)成一形狀。已經發現材料的塑性變形會使成形材料的晶粒結構變化和/或使成形材料變薄。例如，成形材料的晶粒可拉長並硬化材料，這與軋制過程類似。材料的這些物理變化會限制工藝的成形性能。先前描述的牽引材料所需要的成形工藝工具的幾何結構和力通常不能使它們自己成形薄的金屬箔(例如，厚度小於1mm)。此外，對改善厚度至少為1mm的金屬板的自由成形是有利的是，例如，增大在成形操作期間可對金屬板進行牽引的距離或者減輕材料的晶粒結構或屬性的變化。
已經認識到應用高頻振動(例如超聲波振動)可提高自由成形製造系統10的性能和/或增大自由成形製造系統10的金屬板的厚度範圍。在不受限於任何特定的理論的情況下，應相信通過向成形工具/尖端施加振動，在工具/尖端之間與其接觸的材料隨後被激發並被加熱，進而被軟化。結果，軟化的材料可提高成形過程的塑性變形極限。觸針尖端的振動結合對夾持壓力的控制可直接激發/加熱/軟化位於尖端之間與其接觸的材料。對材料的效應可以是極快的並可以是局部的，使得材料周圍的區域不會受到明顯的影響。可提高尖端之間的局部軟化的材料的塑性變形成形極限，因而允許材料更自由地流動和/或成形。與先前的系統相比，材料的激發可使牽引、成形和/或塑形材料所需的變形壓力更小，從而允許自由成形製造工藝用於更薄的材料(例如，薄箔材料)。通過允許更厚的材料被更大程度地牽引和/或成形，更厚材料的自由成形製造也可受益于振動輔助式觸針尖端。材料的激發和隨後的變形可使成形材料屬性的改變最小。因此，自由成形製造尖端的激發可以使薄的金屬箔能夠使用自由成形製造工藝和/或提高金屬箔的自由成形製造的厚度極限(例如，≥1mm)。
振動或激發可按照多種方式應用到自由成形製造系統。在至少一個實施例中，振動源64可附著、連接或結合到工具58和58』中的一個或兩個。在一個實施例中，振動源64可包括將其他形式的能量轉換成振動能的振動換能器(例如超聲波換能器)。換能器可以是任何適合類型的換能器，諸如接觸式換能器。諸如超聲波換能器的換能器可包括壓電換能器或電容換能器，其將電能轉換成聲振動。壓電換能器可包括當施加電壓時尺寸變化的壓電晶體。因此，在晶體上施加交流電(AC)使其以非常高的頻率振蕩，產生高頻聲振動(例如，超聲波振動)。除了轉換是由於電容的變化而發生的，電容換能器基於類似的原理工作。然而，這些僅是示例，可使用產生振動的任何其他適當的方法。例如，可使用磁致伸縮材料，在暴露於磁場時其尺寸改變小的量。
振動源64可位於任何適當的位置，從而允許振動傳遞到工具58和/或58』。振動源64可附著到工具保持件56、加熱元件52、負載單元50、主軸54或與工具保持件56、加熱元件52、負載單元50、主軸54一體，或者可位於這些部件中的任意兩者之間。可選擇振動源64的位置，以允許振動源的調諧與系統的聲學特性一致。調諧通常是以聲學系統的共振頻率的二分之一波長間隔完成的。可選地，振動源64可附著到工具58和/或58』或與工具58和/或58』一體。在這些實施例中，工具58和/或58』可具有允許振動波適當地傳播的幾何結構。在一個實施例中，振動源64附著到工具保持件56或與工具保持件56一體。在圖4示出的實施例中，振動源64附著到工具保持件56或與工具保持件56一體且振動源64被構造成沿與工具保持件56的長軸線66平行且與正在成形的工件12的表面垂直的方向產生振動。振動源可包括與工具保持件56一體或附著到工具保持件56的換能器68。在圖5示出的實施例中，振動源64(可以是換能器68)附著到工具保持件56或與工具保持件56一體，並被構造成沿與工具保持件56的長軸線66垂直且與正在成形的工件12的表面平行的方向產生振動。雖然圖4和圖5中示出的振動源64附著到工具保持件56或與工具保持件56一體以使工具58振動，但是振動源可替代性地附著到工具保持件56』或與工具保持件56』一體以使工具58』振動。振動源64(例如，換能器68)還可附著到工具保持件56和56』或與工具保持件56和56』一體以使工具58和58』兩者振動。工具58』的振動可大體上與工具保持件56』的長軸線66』平行或垂直。
在至少一個實施例中，振動源64是超聲波換能器。振動源64可使工具58和/或58』振動。振動可以以設定的頻率範圍(例如，20kHz±500Hz)內的固定頻率發生。頻率範圍還可以在某一時間段內設定，然後在另一時間段內被調節為不同的頻率範圍。可基於工具在工件上的位置、工件的材料屬性的變化、聲學系統的加熱或其他因素來調節頻率。在一個實施例中，頻率可以是至少1kHz，例如，至少5kHz、10kHz、18kHz、20kHz、25kHz、50kHz、60kHz、100kHz或150kHz。在表述為範圍時，振動源64可使工具58和/或58』以1至150kHz的頻率振動或其任何子範圍內振動。例如，工具可以以1至100kHz、10至100kHz、10至90kHz、15至90kHz、20至90kHz、30至90kHz、40至80kHz、50至70kHz、55至70kHz、5至70kHz、5至40kHz、10至35kHz、10至30kHz、15至25kHz或其他子範圍內的頻率振動。換句話說，工具可以以大約20kHz、25kHz、30kHz、35kHz、40kHz、45kHz、50kHz、55kHz、60kHz、65kHz、70kHz、75kHz或80kHz的頻率振動，大約指的是±5kHz。可基於應用選擇頻率，並且頻率會受到諸如材料類型(例如，金屬或聚合物)、材料屬性(例如，硬度、晶粒結構等)、期望部件的幾何結構或其他的因素影響。振動源64的頻率可由控制器控制，該控制器可調節振動源的頻率以使整個聲學系統保持理想的或接近理想的共振頻率。然而，還可使用以上範圍/值之外的頻率，較低的頻率可能不是很有效，而較高的頻率可能會減少收益或損壞正在成形的材料。
參照圖6至圖8，示出了成形工件12的系統10的示意性示例。在至少一個實施例中，如圖6所示，工具58和58』中僅一個結合到振動源64。例如，工具58可振動同時工具58』不振動。在該示例中，工具58可用作焊頭(horn)70而工具58』可用作底砧(anvil)72。在此使用的術語「焊頭」和「底砧」與超聲波焊接中使用的術語類似。焊頭70是向部件(在本實施例中是工件12)施加振動的部件。底砧72是與焊頭相對的表面，其可允許定位和/或支撐工件12。底砧72可與焊頭70相對地設置，而工件12位於兩者之間。底砧72可以是靜止的(例如，不振動)。在超聲波焊接中，基本上還存在壓機(press)以向兩個正在接合的部件施加壓力，使得振動能集中在將要熔化的位置。然而，在本公開中，僅一個工件12成形(沒有與其他部件附連)，且可通過操縱器24和26施加在兩個工具58和58』之間的力而提供壓力。如上所述，振動源64可被構造為使工具58沿與工具保持件56的長軸線66平行或垂直的方向振動。在圖6示出的實施例中，振動源64被構造為使工具58沿與長軸線66垂直的方向振動。
在圖7示出的另一實施例中，工具58和工具58』兩者都可結合到振動源64。在該實施例中，工具58和工具58』兩者可彼此獨立地用作焊頭70或者如果不需要來自振動源64的振動時用作底砧。在工具58和58』都振動的實施例中，振動源64可被構造成具有相同或不同的頻率。類似地，振幅可以相同或不同，且它們可以同相或異相。在一個實施例中，工具58和58』可以以相同的頻率和振幅振動。在另一實施例中，它們還可以以異相的方式振動。向工具58和58』兩者提供振動可增大工件12的激發量或局部加熱。結果，可更早地成形工件12和/或可提高牽引極限(例如，更深的牽引或更薄的工件)。如上所述，振動源64可被構造為使工具58和58』沿與工具保持件56和56』的長軸線66和66』平行或垂直的方向振動。在圖7示出的實施例中，振動源64被構造為使工具58和58』沿與長軸線66和66』平行的方向振動。
在圖8示出的另一實施例中，可移除或不使用系統10中的一個操縱器，並且可利用模具76來代替該操縱器。例如，可從工件12上移除或移走操縱器26。在這種替換中，模具76可布置在工件12的一側(例如，下側)。在另一實施例(未示出)中，模具76可安裝到操縱器26，代替元件50、52、54、56和58中的一些或所有。模具76可具有呈與期望部件的形狀逆向的形狀的表面輪廓78。操縱器24可利用工具58通過沿預定或編程好的路逕行進而在模具76上漸進地成形工件12，類似於上面的描述。如果模具76安裝到操縱器26，則操縱器24可與操縱器26相協調地行進。在這些實施例中，工具58可使用振動源64而振動。與參照圖6描述的實施例類似，工具58可用作焊頭70。然而，在模具76用作底砧的這些實施例中，為工具58提供相對的表面、支撐和/或定位允許向工具58和模具76之間的工件12上施加壓力。在一個實施例中，圖9示出了截面圖的示例，模具76可具有與針對燃料電池的期望的雙極板(bi-polar plate)的幾何結構逆著的表面輪廓78。模具76可具有多個凸起80和凹入82，以在所產生的雙極板中形成氣體通道或其他板特徵。
如上所述，將振動源64增加到系統10中可允許利用自由成形製造系統成形更薄的金屬板。在至少一個實施例中，可成形或塑形初始厚度達1mm的金屬板。例如，可使用包括振動源64的系統10來成形初始厚度小於或等於0.5、0.4、0.3、0.2、0.1或0.05mm金屬板。在一個實施例中，金屬板的初始厚度可以為0.05至0.9mm，或其任意子範圍內，例如0.05至0.75mm、0.05至0.5mm、0.05至0.25mm、0.05至0.15mm、0.05至0.1mm或大約0.1mm。
除了允許自由成形製造系統10成形或塑形更薄的金屬板，工具58和58』的振動還允許更厚的金屬板(例如，≥1mm)的牽引增大。這是由於在牽引期間材料的軟化引起的。牽引的度或極限可基於諸如材料類型、材料屬性和幾何結構的因素而變化。與在相同條件但不振動的情況下被牽引的相同的金屬板相比，工具58和58』的振動可允許金屬板的牽引增大。例如，某些金屬板當前具有大約150％的牽引極限。然而，在工具振動的情況下，牽引極限可以是175％、200％或更高。
振動源64在工具58和/或58』中的產生的振動的振幅可根據被成形的金屬、將要成形的形狀或其他因素設定。通常，較高的振幅將為工件12提供增大的激發和/或加熱。在至少一個實施例中，振動的振幅可以是0.5至100μm或其任意子範圍內。例如，振幅可以是0.5至75μm、1至50μm、5至50μm、5至45μm、10至45μm、15至45μm、15至40μm或20至35μm。如上所述，振幅可描述豎直方向(例如，與工件垂直的方向)或水平方向(例如，與工件平行的方向)上的運動。如超聲波焊接領域所公知的，各種大小的助力器(booster)可增設到振動源64並被包括在系統10中，例如工具或工具保持件中。助力器可使振動源64的振動的振幅變化(例如，增大)。
包括結合到振動源64的工具的系統10可用於成形或塑形任何金屬板。可由系統10成形的金屬的非限制性示例包括鋼、鋁、鈦或其合金。將基於被成形的材料來大體上調節振動源的參數(例如頻率和振幅)、換能器方位、施加到工件上的力、尖端材料或其他。例如，可基於工件的物理屬性和/或特徵(例如，厚度、硬度或晶粒尺寸)來調節參數。
如上所述，工具的振動可引起金屬工件的局部加熱，進而使其更容易地成形和塑形。工件(例如，工具58和58』之間或者工具58和模具76之間的區域)的局部溫度可升高至低於金屬工件的熔點的溫度。在一個實施例中，合金的局部溫度可通過振動而升高至90to 200°F或其任意子範圍內。例如，局部溫度可升高至90至150°F、90至130°F、100至130°F、105至125°F、110至125°F、105至120°F、110至120°F或其任意子範圍內。合金的局部溫度還可升高至合金熔化溫度的百分比。例如，合金可被加熱至其熔化溫度的10％至80％或其任意子範圍內，例如，其熔化溫度的20％至70％、25％至65％、30％至60％、35％至55％或40％至50％。
振動源64可由一個或更多個控制器28(或單獨的控制器)以與上述控制操縱器、負載單元和其他部件的方式相同的方式控制。例如，控制器28可監測並控制諸如換能器68的振動源64的操作。控制器28可控制工具的振動的頻率、振動的振幅、振動的正時或其他參數。控制器28可響應於系統的共振特徵而控制振動源的參數。此外，控制器28可監測並控制可被設置為在成形過程期間監測工件12的尺寸特徵(其可包括工件12的局部溫度和/或工件12的振動的頻率和/或振幅)的測量系統62的操作。
可採用所公開的系統和方法來成形具有複雜的幾何結構的工件，而不會增大與設計、製造和傳統上成形諸如金屬板的工件所採用的模具的運輸關聯的前置時間和成本。此外，可降低或避免相關設備(例如，壓機)的資本投資。這樣，可大體上減少每個工件的成本和製造時間。此外，與諸如單點漸進成形的其他技術相比，所公開的系統和方法可生產具有改善的表面質量和尺寸精確度的部件。此外，可降低能量消耗。可在樣機、小批量生產和/或較大批量生產中實現這些優點。
雖然以上描述了示例性實施例，但這些實施例並未旨在描述本發明的所有可能的形式。相反，在說明書中使用的詞語是描述性詞語而非限制性詞語，應該理解，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下能夠進行各種變化。此外，各個實施例的特徵可組合，以形成本發明的進一步的實施例。