DE10065594A1 - Verfahren zum Herstellen von 3-dimensionalen Sinter Werkstücken - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von 3-dimensionalen Sinter WerkstückenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von 3-dimensionalen Sinter-Werkstücken, mit folgenden Merkmalen: DOLLAR A a) formgebende Herstellung eines Werkstückrohlings aus Sintermaterial, wobei unter Einsatz eines Stereolithographieverfahrens das Sintermaterial durch Einwirkung einer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung verfestigt wird; DOLLAR A b) daran anschließend oder gleichzeitig während des Sinterprozesses bei Durchführung des Stereolithographieverfahrens Aufschmelzen der Oberflächen des Werkstückes derart, daß eine im wesentlichen gasdichte Oberflächenschicht ausgebildet wird; DOLLAR A c) daran anschließend Verdichten der metallgesinterten Werkstücke durch einen heißisostatischen Preßvorgang (HIP), wobei die gemäß Schritt b) aufgeschmolzene und damit abgedichtete Oberfläche der Werkstücke als Dichtmantel beim heißisostatischen Preßvorgang dient.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von 3-dimensionalen Sinter-
Werkstücken.
Sinter-Werkstücke, insbesondere solche aus metallischen Werkstoffen, werden
insbesondere im Bereich des Werkzeug- oder Formenbaus eingesetzt. Derartige
Werkstücke werden entweder von vorne herein auf Maß hergestellt und dann nur
noch oberflächlich geringfügig nachbearbeitet. Es ist aber auch üblich, derartige
Werkstücke zunächst übermäßig herzustellen und dann durch spanabhebende
oberflächliche Bearbeitung das exakte Werkstückmaß einzustellen.
Die Eignung von insbesondere metallischen Sinter-Werkstücken für den
Werkzeug- und Formenbau ist allerdings aufgrund der typischen physikalischen
Eigenschaften des Sinterprozesses, insbesondere des Stereolitographieverfahrens
nur eingeschränkt möglich.
Bei Spritzwerkzeugen und Spritz- oder Gießformen besteht außerdem das
Bedürfnis, diese Werkzeuge oder Formen im Betrieb ausreichend zu temperieren.
Insbesondere in der Kunststoffspritztechnologie besteht ein ständiger Konflikt
zwischen den Festigkeitseigenschaften der im Werkzeug integrierten Einsätze und
der Realisierung einer optimalen Temperierung. Die Temperierung in den
genannten Werkzeugen und Formen wird in der Regel durch Kühlkanäle
eingestellt. Kühlkanäle können einerseits durch Bohren eingebracht werden, was
aber bedeutet, daß eine räumliche Anpassung der Kühlkanäle an die
Werkstückform und insbesondere an die thermisch hochbelasteten Bereiche des
Werkzeuges oder der Form nicht möglich ist.
Bekannt ist auch ein Verfahren, bei dem ein Werkzeugeinsatz in Scheiben
konstanter Dicke aufgeteilt wird, in die die Kühlbohrungen eingearbeitet werden.
Anschließend werden die Einzelscheiben wieder aufeinander gelötet. Dadurch
kann zwar eine verbesserte Anpassung der Verläufe der Kühlkanäle innerhalb des
Werkstückes sichergestellt werden, nachteilig ist jedoch die lange Durchlaufzeit
eines solchen Einsatzes, daneben die hohen Fertigungskosten und auch die
Schwierigkeit, die Lage dieser Kühlkanäle bei einer späteren Bearbeitung des
Einsatzes ausreichend genau nachzuvollziehen.
Als grundsätzliches Herstellungsverfahren für metallische Werkstücke ist auch
das sogenannte heißisostatische Pressen (HIP) bekannt. Dabei wird ein nach
bekannten Verfahren hergestellter Sinter-Körper in eine Mantelung gepackt, die
sich eng an die Außenkontur anlegt. In diesem eingepackten Zustand wird das
Werkstück hohem Druck und Temperaturen ausgesetzt, dabei "verbäckt" die
zunächst eher poröse Innenstruktur des Werkstückes zu einem dichten und damit
hoch belastbaren Verbundkörper.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit
welchem auf einfache Weise Sinter- oder Gußwerkzeuge mit erhöhter Festigkeit
hergestellt werden können. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren anzugeben, durch welches auf einfache Weise in gesinterten
Werkzeugen bzw. Werkzeugeinsätzen Kühlkanäle eingepaßt werden können, die
den thermischen Anforderungen des Werkzeuges in verbesserter Weise angepaßt
sind.
Diese Aufgaben werden grundsätzlich durch die Merkmalskombination des
Verfahrensanspruches 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein zweistufiger Herstellungsprozeß,
nämlich ein Sinterverfahren als erste Stufe und ein heißisostatischer Preßvorgang,
d. h. ein Sintervorgang, durch den auch der Innenbereich der Werkstücke mit
relativ hoher Strukturdichte verbacken wird. Der erste
Herstellungsverfahrensschritt, nämlich das Sintern läßt die Fertigung von
Werkstücken mit relativ komplexer Form und Struktur zu, der anschließende
heißisostatische Preßvorgang verdichtet dann die so hergestellten
Werkstückrohlinge in einer Weise, die eine spanabhebende Nachbehandlung,
Nachformung, Schärfung und Härtung und dergleichen ermöglicht. Dadurch sind
insbesondere Sinter-Werkstücke erstmalig auch im Bereich des Formenbaus und
Werkzeugbaus als hoch belastbare Werkzeuge einsetzbar.
Insbesondere können auch stereolitographische Verfahren im ersten
Fertigungsschritt eingesetzt werden, d. h. Verfahren, die sehr schnell einen
komplexen Aufbau eines Werkstückes ermöglichen. Die daraus gewonnenen
Werkstücke können oberflächlich dadurch mit höherer Dichte hergestellt werden,
daß entweder die Außenkonturen beim schichtweisen Bauvorgang zunächst
vollständig aufgeschmolzen werden und dann die Werkstückoberflächen
nachfolgend mit einer Laserstrahlung zusätzlich verdichtet werden. Auch die
Oberflächen von Kühlkanälen, die das fertige Werkstück durchsetzen werden,
lassen sich beim schichtweisen Bauvorgang vollständig aufschmelzen, und zwar
schichtweise, wodurch die Oberflächen der Kühlkanäle ebenfalls gasdicht
abgedichtet werden und in der Lage sind, beim nachfolgenden heißisostatischen
Preßvorgang als Dichtmantel zu dienen. Falls die Werkstücke nicht in jedem
Oberflächen- oder Kühlkanalbereich dichte Flächen haben, ist es verfahrensgemäß
auch möglich, bereichsweise Zusatzmantelungen anzubringen, die ein Eindringen
der Drücke in die poröse Innenstruktur der Werkstücke beim heißisostatischen
Preßvorgang verhindern.
Vorteilhaft wird die Dicke der aufgeschmolzenen oder verdichteten Schichten im
Bereich der Werkstückoberflächen größer gewählt als im Bereich der
Kühlkanaloberflächen. Im Bereich der Kühlkanaloberflächen muß in der Regel
nicht nachgearbeitet werden, die dickeren Schichten im Bereich der Oberflächen
erlauben hingegen eine auch tiefergehende Oberflächenbearbeitung der
Werkstücke.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher
erläutert. Diese zeigt ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in
stark vereinfachter, schematischer Darstellung.
Das bei dem Verfahren hergestellte 3-dimensionale Sinter-Werkstück ist mit
Bezugsziffer 1 versehen. Gemäß Schritt a) des Flußdiagramms erfolgt die
formgebende Herstellung eines Werkstückrohlings 2 aus Sintermaterial. Der
Werkstückrohling 2 wird unter Einsatz eines Stereolithographieverfahrens
hergestellt, bei welchem das Sintermaterial durch Einwirkung einer
Laserstrahlung verfestigt wird. Das Sintermaterial kann sowohl in pulverartiger,
pastöser oder flüssiger Form vorliegen. Der auf das Sintermaterial auftreffende
Laserstrahl ist mit Bezugsziffer 3 versehen. Um einen Verzug des Sinter-
Werkstückes 1 zu vermeiden, erfolgt vorteilhafterweise die Bestrahlung von
verschiedenen Bauzonen 4 zeitlich nacheinander, die zweckmäßigerweise in
stochastischer Verteilung über die bearbeitende Sintermaterialschicht verteilt sind.
Die Bauzonen 4 sind mit Ziffern versehen, die die zeitliche Reihenfolge der
Laserbestrahlung verdeutlichen. Daran anschließend in Schritt b) oder gleichzeitig
während des Sinterprozesses in Schritt a) erfolgt ein Aufschmelzen der
Oberflächen 5, 6 derart, daß eine im wesentlichen gasdichte Oberflächenschicht
ausgebildet wird. Dazu werden die Außenkonturen des Werkstückrohlings 2 beim
schichtweisen Bauvorgang zunächst vollständig aufgeschmolzen und/oder die
gebildeten Werkstückoberflächen nachfolgend zusätzlich mit Laserstrahlung
verdichtet. Wie aus den Zeichnungsfiguren hervorgeht, werden bei der
Durchführung des stereolithographischen Sinterprozesses beim schichtweisen
Bauvorgang auch die Oberflächen 6 von Kühlkanälen 7, die das fertige
Werkstück, z. B. eine Spritzgießform, durchsetzen, vollständig aufgeschmolzen
und damit abgedichtet. Das in den Kühlkanälen 7 befindliche lose Pulver bzw.
nicht gesinterte Material wird nach dem Sintervorgang entfernt. Daran
anschließend wird das metallgesinterte Werkstück durch einen heißisostatischen
Preßvorgang (HIP) verdichtet, wobei die gemäß Schritt b) aufgeschmolzene und
damit abgedichtete Oberfläche S. 6 des Werkstückrohlings 2 als Dichtmantel beim
heißisostatischen Preßvorgang dient. Das heißisostatische Pressen erfolgt bei
hohem Druck p, der durch die Pfeile verdeutlicht wird sowie bei hoher
Temperatur T, was zur Verdichtung des gesamten Bauteiles führt. Das
heißisostatische Pressen bewirkt eine Zunahme der gesamten Bauteildichte sowie
eine damit verbundene Erhöhung der Festigkeitswerte, die das Bauteil
beanspruchbarer machen. Außerdem werden die Kühlkanäle 7 an den Oberflächen
6 abgedichtet, so daß keine Leckage auftreten kann. Die Oberfläche 5 des
gesamten Bauteils wird verdichtet, wobei eine Glättung dieser Oberflächen 5
möglich ist. Die Kühlkanalwände bleiben jedoch relativ rauh, was einer
verbesserten Wärmeabfuhr dient.
Nach dem heißisostatischen Preßvorgang werden die Werkstückoberflächen 5
gemäß Schritt d) spanabhebend zur Einstellung der Fertigmaße überarbeitet. Dazu
ist es notwendig, daß der Werkstückrohling 2 im Übermaß hergestellt wurde.
Dazu ist es zweckmäßig, daß die Dicke der aufgeschmolzenen oder verdichteten
Schicht im Bereich der Werkstückoberflächen 5 größer ist als im Bereich der
Kühlkanaloberflächen 7, was ebenfalls in den Zeichnungsfiguren schematisch
angedeutet wurde. Vor dem heißisostatischen Preßvorgang können nicht
vollständig in jedem Oberflächen- oder Kühlkanalbereich dichte Werkstücke
durch eine bereichsweise angelegte Zusatzmantelung zusätzlich abgedichtet
werden.
Das fertige Sinter-Werkstück 1 kann als Werkzeug, Werkzeugeinsatz, Spritz-,
Gieß- oder Spritzgießform oder Formeinsatz verwendet werden.
1
Sinter-Werkstück
2
Werkstückrohling
3
Laserstrahl
4
Bauzone
5
Oberfläche
6
Oberfläche
7
Kühlkanal
Claims (10)
1. Verfahren zum Herstellen von 3-dimensionalen Sinter-Werkstücken, mit
folgenden Merkmalen:
- a) formgebende Herstellung eines Werkstückrohlings aus Sintermaterial, wobei unter Einsatz eines Stereolithographieverfahrens das Sintermaterial durch Einwirkung einer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung verfestigt wird;
- b) daran anschließend oder gleichzeitig während des Sinterprozesses bei Durchführung des Stereolithographieverfahrens Aufschmelzen der Oberflächen des Werkstückes derart, daß eine im wesentlichen gasdichte Oberflächenschicht ausgebildet wird;
- c) daran anschließend Verdichten der metallgesinterten Werkstücke durch einen heißisostatischen Preßvorgang (HIP), wobei die gemäß Schritt b) aufgeschmolzene und damit abgedichtete Oberfläche der Werkstücke als Dichtmantel beim heißisostatischen Preßvorgang dient.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei einem stereolithographischen Sinterverfahren zur Herstellung der
Werkstückrohlinge deren Außenkonturen beim schichtweisen Bauvorgang
zunächst vollständig aufgeschmolzen werden und/oder die gebildeten
Werkstückoberflächen nachfolgend zusätzlich mit Laserstrahlung verdichtet
werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei Durchführung eines stereolithographischen Sinterprozesses beim
schichtweisen Bauvorgang auch die Oberflächen von Kühlkanälen, die das
fertige Werkstück durchsetzen, vollständig aufgeschmolzen und damit
abgedichtet werden, um beim nachfolgenden heißisostatischen Preßvorgang
als Dichtmantel zu dienen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
nach dem heißisostatischen Preßvorgang die Werkstückoberflächen
spanabhebend überarbeitet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
nicht vollständig in jedem Oberflächen- oder Kühlkanalbereich dichte
Werkstücke vor dem heißisostatischen Preßvorgang durch eine
bereichsweise angelegte Zusatzmantelung zusätzlich abgedichtet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
die Verwendung des Werkstückes als Werkzeug oder Werkzeugeinsatz.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
die Verwendung des Werkstückes als Spritz-, Gieß- oder Spritzgießform
oder Formeinsatz.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
durch die Werkstücke gebildete Werkzeuge, Werkzeugeinsätze, Formen
oder Formeinsätze im Bereich der Oberflächen von sie durchsetzenden
Kühlbohrungen durch Strahlungseinwirkung vollständig aufgeschmolzen
und/oder verdichtet werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke der aufgeschmolzenen oder verdichteten Schicht im Bereich der
Werkstückoberflächen größer ist als im Bereich der Kühlkanaloberflächen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Werkstückrohlinge zunächst im Übermaß hergestellt werden und nach
Durchführung eines heißisostatischen Preßvorganges (HIP) die
zugänglichen Oberflächen nachträglich spanabhebend zur Einstellung der
Fertigmaße bearbeitet werden.
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DE10065594A Expired - Lifetime DE10065594C2 (de) | 2000-10-30 | 2000-10-30 | Verfahren zum Herstellen von 3-dimensionalen Sinter Werkstücken |
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