DE10065594A1

DE10065594A1 - Verfahren zum Herstellen von 3-dimensionalen Sinter Werkstücken

Info

Publication number: DE10065594A1
Application number: DE2000165594
Authority: DE
Inventors: Frank Herzog; Kerstin Herzog; Siegfried Hoffmann
Original assignee: Concept Laser GmbH
Current assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: DE10065594C2

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.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Sinter-Werkstück

2

Werkstückrohling

3

Laserstrahl

4

Bauzone

5

Oberfläche

6

Oberfläche

7

Kühlkanal

Claims

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.