DE102015118606B4 - Werkzeug zum Tiefziehen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
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Abstract
Werkzeug (1) zum Tiefziehen von Stahlblech, wobei eine grobe Kontur eines zu formenden Werkstücks (6) mit einer Mehrzahl von Platten (4), Säulen (9) oder Blöcken ausgebildet ist und auf der einem Werkstück (6) zugewandten Fläche, die von den Platten (4), Säulen (9) oder Blöcken gebildet wird, eine Masse (2) aufgedruckt ist, welche die grobe Kontur auffüllt und werkstückseitig eine formgebende Fläche (7) bildet, wobei die Masse (2) aus einer gedruckten, und dann geschmolzenen Metallschicht ausgebildet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Tiefziehen und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
- Zum Umformen und insbesondere zum Tiefziehen von Metallen ist es bekannt, diese Metalle als Platinen in ein Werkzeug einzulegen, diese Platinen randseitig einzuklemmen und anschließend mit einer Patrize in eine Matrize zu drücken, um dem Metall die Form zu geben. Durch die Klemmung der Ränder einerseits und den Druck der Patrize auf das Metall andererseits fließt das Metall und wird dementsprechend in die Matrize gezogen und dort durch die Patrize an die Matrize vollständig angelegt.
- Darüber hinaus gibt es im Prototypenbau nach wie vor die Möglichkeit Formen aus Holz oder Kunststoffen herzustellen und die Metalle dann mittels Hämmern an die Form anzupassen.
- Derartige Umformwerkzeuge werden beispielsweise aus massiven metallischen Platten gefräst. Das Fräsen aus massiven metallischen Platten geht einerseits schnell, allerdings ist die Fräsbearbeitung recht teuer und es wird häufig eine große Menge an Frässchrott erzeugt.
- Darüber hinaus ist es bekannt, Umformwerkzeuge aus metallischem Rohguss herzustellen, wobei der Rohguss schon an die Endform des gewünschten Bauteils angepasst ist, wobei anschließend der Rohguss noch überfräst wird, um die Feinbearbeitung der Oberfläche sicherzustellen. Hierbei ist von Nachteil, dass der Rohguss eine relativ lange aufwändige Fertigung hat und somit auch eine lange Fertigungszeit bedingt. Allerdings sind hier im Vergleich die Fräskosten geringer und es ist auch nur in geringerem Umfang mit Fräsverschnitt zu rechnen.
- Aus der
DE 10 2004 029 973 A1 ist ein Umformwerkzeug und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, wobei das Umformwerkzeug ein Unter- und ein Oberwerkzeug besitzt und das Unter- und/oder Oberwerkzeug eine formgebende Schale und eine diese stützende Hinterfütterung aufweisen, wobei Unter und/oder Oberwerkzeuge zumindest teilweise aus laminierten Materialschichten oder miteinander verbundenen Pulverpartikeln bestehen und zwischen Unter und/oder Oberwerkzeug und der formgebenden Schale eine elastische Zwischenschicht vorhanden sein kann. Die formgebende Schale kann aus dünnen Stahlblechen oder CFK-Bahnen laminiert werden. - Aus der
DE 10 2007 041 858 A1 ist die Herstellung von wiederverwendbaren Werkzeugen mit niedrigen Investitionen bekannt, wobei zur Teilherstellung eine Mischung Sand/Aktivator als eine Schicht verwendet wird, worauf gedruckter Harzbinder aufgebracht wird, um eine Basis und ein Muster zu bilden. Es können Seitenwände auf der Basis unter Verwendung desselben Verfahrens vorgesehen sein. Das Werkzeug wird mit härtbarem Harz als schützendem Überzug versehen und kann als wiederverwendbares Werkzeug als Teil einer Kastenform oder als Vakuumformwerkzeug für die Teilherstellung eingesetzt werden. - Aus der
DE 602 063 59 T2 ist ein Werkstückträger bekannt, wobei der Werkzeugträger aus unterschiedlichen Sockeln oder Säulen ausgebildet ist. Die Säulen sind in zwei Teilen geformt mit einem abnehmbaren, maschinell bearbeitbaren Teil und einem unteren Teil, der ein dauerhafter Bestandteil des Werkzeugs ist. - Aus der
US 5,546,784 A ist ein Werkzeug bekannt, welches über eine Mehrzahl von aneinander liegenden im Querschnitt quadratischen Säulen verfügt, wobei die Säulen einzeln computergesteuert ansteuerbar sind, so dass die ansteuerbaren Elemente gemeinsam eine dreidimensionale Oberfläche durch eine Matrix aus den Säulen ausbilden. Ein weiteres Werkzeug ist aus derJP 2002- 1 458 A - Grundsätzlich müssen die Werkzeuge für das Umformen von Metallen und insbesondere z. B. für das Tiefziehen von Karosserie blechen eine hohe mechanische Stabilität und eine gute Standfestigkeit besitzen, denn mit derartigen Werkzeugen werden sehr hohe Stückzahlen an umgeformten Blechen erzeugt.
- Aufgabe der Erfindung ist es, den Materialeinsatz, den Bearbeitungseinsatz und möglichen Verschnitt zu verringern und die Herstellungszeit zu verkürzen.
- Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und/oder 8 gelöst.
- Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
- Erfindungsgemäß wird Material für Werkzeuge nur dort eingesetzt, wo es nötig ist. Wo es aus Stabilitätsgründen nicht notwendig ist, kann Material durch Hohlräume ersetzt werden.
- Erfindungsgemäß werden zudem die Wirkflächen und die eigentliche Bauteilgeometrie nicht gegossen und gefräst sondern durch 3D-Druck hergestellt.
- Die über 3D-Druck hergestellte Fläche wird auf eine metallische Unterkonstruktion oder ein UREOL- oder HWS-Blockmaterial aufgedruckt.
- UREOL ist ein Polyurethanharz, das mit Füllstoffen gefüllt ist, und kann zur Herstellung von Tiefziehformen, bei Füllung mit Metallen auch Spritzgussformen, verwendet werden, besitzt jedoch eine Standzeit, die sehr gering ist.
- Bei HWS handelt es sich um ein vergleichbares Material, welches ebenfalls in Blöcken angeboten wird und aus Kunststoff besteht.
- Erfindungsgemäß wird dieses Material insbesondere in Form von Blöcken verwendet, wobei aber auch Metallplatten verwendet werden können. Die Metallplatten oder Blöcke können per Laser- oder Wasserstrahlschneiden, oder bei Kunststoffen auch durch herkömmliche Schneidverfahren, zugeschnitten werden. Durch das Zuschneiden entstehen vorzugsweise Blöcke mit einer gleichen Breite und einer gleichen Dicke, aber mit einer unterschiedlichen Höhe, wobei die Höhe von der gewünschten Kontur einer Werkzeugoberfläche und damit letztlich auch von einer gewünschten Kontur eines umgeformten Bauteils abhängt.
- Die Blöcke oder Platten werden dann mit ihren Breitseitenflächen aneinander angeordnet und so mit mehreren Blöcken zu einer Werkzeugkontur zusammengestellt, wobei die Werkzeugkontur der Oberflächenkontur eines gewünschten Bauteils angenähert wird.
- Erfindungsgemäß wird diese grobe Werkzeugkontur derart gebildet, dass zumindest 85 %, bevorzugt mehr als 90 %, besonders bevorzugt mehr als 95 %, des Volumens des gesamten Werkzeuges bereits ausgebildet ist.
- Auf eine bauteilzuweisende, durch die Blöcke insbesondere gestuft ausgebildete Fläche kann dann mittels 3D-Druck die eigentliche formgebende Fläche aufgedruckt werden. Dies entspricht dann den restlichen < 5 % bis < 15 % der Werkzeugvolumens.
- Das Werkzeugvolumen ist dabei das Volumen unter der werkstückseitigen Oberfläche des Werkzeugs.
- Die formgebende Fläche wird insbesondere mit an sich bekannten Metallen bedruckt, wobei die Metalle anschließend gesintert werden, beispielsweise mittels Lasersintern.
- Erfindungsgemäß sorgt somit die gesinterte Metallfläche als formgebende Fläche für die gute Oberflächenqualität und die hohe Standzeit, während die darunter befindlichen Metall- oder Kunststoffblöcke die erforderliche Flächenlast aufnehmen.
- Insbesondere ist es bei der Erfindung sinnvoll, bei einer gegebenen Werkstücklänge und -breite eine Mehrzahl von plattenartigen Elementen, die die erforderliche Breite oder Länge haben, mit Breitseitenflächen aneinander anzuordnen, bis die erforderliche jeweils andere räumliche Dimension (Breite, Länge) erreicht ist.
- Diese Platten können dann mit geeigneten mechanischen Verbindungselementen zusammengehalten werden.
- Diese mechanischen Verbindungselemente können durch die Platten hindurchgeschobene Schraubbolzen, aber auch Nut- und Federführungen oder Schwalbenschwanzführungen in den Plattenoberflächen sein, wobei jeweils korrespondierende Nuten und Federn bzw. Schwalbenschwanzführungen benachbarter Platten zusammenwirken.
- Um möglichst dicht einer geplanten Kontur eines Bauteils zu folgen, können dementsprechend die Flächen der Platten, die zusammen die formgebende Fläche ergeben, bzw. die Platten in Bezug auf diese Fläche abgelängt werden, sodass entsprechende Stufen entstehen.
- Bei Formen, die in beide Raumrichtungen stark konturiert sind, können anstelle von Platten auch Säulen oder Stege verwendet werden, die entsprechend abgelängt eingesetzt werden, sodass eine dreidimensionale Kontur angenähert wird. Werden Säulen verwendet, insbesondere Säulen, die einen quadratischen Querschnitt haben, bietet sich eine Nut- und Feder- bzw. Schwalbenschwanzverbindung dieser Säulen aneinander an.
- Um die Feinkontur auszubilden, wird anschließend die Feinkontur bzw. die formgebende Fläche mittels 3D-Druck auf den so aus den Platten oder Säulen erzeugten Unterbau aufgedruckt. Die durch die unterschiedlichen Längen der Platten oder Säulen gebildeten Stufen werden hierbei einerseits aufgefüllt und andererseits die formgebende Fläche erzeugt.
- Die formgebende Fläche bzw. die aufgedruckte Masse werden anschließend entsprechend gehärtet oder miteinander verbunden.
- Besteht die aufgedruckte Masse aus Metallen, gegebenenfalls Metallpigmenten mit einem Bindemittel, werden die Metallpigmente anschließend vorzugsweise durch Einwirkung von großer Hitze, beispielswiese mit einem Laser, miteinander verschmolzen bzw. gesintert.
- Die Masse kann jedoch, insbesondere für Prototypen, auch aus einem hochhärtbaren Kunstharz bestehen, welches gegebenenfalls mit Mineralien oder Metallen gefüllt ist, um eine hohe Druck- und Abriebfestigkeit zu erzielen.
- Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen dabei:
-
1 : stark schematisiert den erfindungsgemäßen Werkzeugaufbau mit miteinander verbundenen Metallplatten; -
2 : die Anordnung nach1 in einer Draufsicht; -
3 : die Anordnung nach1 in einer Draufsicht, aber mit quadratischen Säulen. - Der erfindungsgemäße Werkzeugaufbau 1 bzw. das erfindungsgemäße Werkzeug 1 besitzt eine Grundplatte 3.
- Auf der Grundplatte 3 ist eine Mehrzahl von Platten bzw. Blöcken 4 mit Breitseiten aneinander liegend angeordnet (
1 ,2 ) . - Die Platten bzw. Blöcke 4 sind aus Metall, aus einem gefüllten Kunststoff, Holz oder dergleichen ausgebildet.
- Die Platten bzw. Blöcke 4 besitzen je eine, der Grundplatte 3 diametral gegenüberliegende formseitige Fläche 4a.
- Abhängig von der Kontur eines zu formenden Bauteils 6 besitzen die Platten bzw. Blöcke 4 unterschiedliche Höhen h, so dass durch die Platten in x-Richtung (
2 ) der Kontur folgend ein Höhenprofil ausgebildet wird. - Auf diese, durch die unterschiedlichen Höhen h ausgebildete Kontur ist mittels 3D-Druck eine druckfähige Masse 2 aufgedruckt, welche an ihrer Außenseite die formgebende Fläche 7 bildet.
- Die Masse 2 füllt hierbei auch Stufen 8 auf, die zwischen den Platten oder Blöcken 4 aufgrund der unterschiedlichen Höhe h ausgebildet werden.
- Um die Stufen 8 zu verkleinern, können Platten oder Blöcke 4 mit unterschiedlichen Breiten b verwendet werden (
2 ), wodurch in den Bereichen, in denen sich die Kontur besonders stark ändert, die Stufen verkleinert werden und dadurch auch die Menge der Masse verringert wird, die dort eingebracht werden muss. In vorteilhafter Weise beschleunigt dies einerseits den Druckvorgang und ermöglicht andererseits eine homogenere Dicke der Masse 2 auf den Platten oder Blöcken 4. - Die Platten oder Blöcke 4 besitzen jeweils beispielsweise zwei axiale Bohrungen (nicht gezeigt), durch die als Befestigungseinrichtung 5 ein Gewindebolzen mit entsprechender Mutter 5 hindurchgesteckt ist, sodass die Platten fest aneinandergedrückt gehalten werden.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (
3 ) sind auf der Grundplatte 3 anstelle von Platten oder Blöcken 4 Säulen 9 angeordnet, wobei die Säulen 9 entsprechend der Kontur eines herzustellenden Bauteils 6 (1 ) unterschiedliche Höhen h besitzen, wobei die Breite der Säulen 9 praktikablerweise immer gleich ist und die Säulen 9 beispielsweise einen quadratischen Querschnitt besitzen. - Durch unterschiedliche Höhen der Säulen 9 lässt sich hiermit eine Bauteilkontur sowohl in x- als auch in y-Richtung darstellen.
- Um die Säulen 9 aneinander zu halten, kann, da durch die Säulen 9 ein Rastermaß vorgegeben ist, als Befestigungseinrichtung 5 ein Spannrahmen verwendet werden, wobei der Spannrahmen beispielsweise aus entsprechenden Leisten besteht, die ineinander gesteckt werden und so die Säulen 9 aneinander halten.
- Darüber hinaus ist es möglich, die Säulen 9 an angrenzenden Flächen mit Nuten und Federn (nicht gezeigt) allein oder zusätzlich zu einem Spannrahmen auszubilden.
- Um die Säulen 9 kompakt aneinander zu halten, können die Säulen 9 in ihren aneinander liegenden Flächen auch über Schwalbenschwanzfedern und entsprechende Schwalbenschwanznuten verfügen, so dass die Säulen 9 durch Einschieben der Schwalbenschwanzfedern in die Schwalbenschwanznuten fest aneinander gehalten werden.
- Zur Anordnung der Säulen 9 an der Grundplatte 3 kann die Grundplatte 3 über eine entsprechende Freisparung verfügen, in die die Säulen 9 eingefügt werden, die Säulen 9 können auch durch die Grundplatte mit dieser verschraubt werden.
- Werden die Säulen 9 bzw. wird der Werkzeugaufbau 1 dafür verwendet, Prototypenwerkzeuge zu erstellen, können sowohl die Platten 4 als auch die Säulen 9 in standardisierten Höhen und Breiten bevorratet werden und dann, ohne dass die Platten oder Säulen zurechtgeschnitten werden müssen, zusammengesteckt werden.
- Mittels der Platten 4 bzw. der Säulen 9 und der Masse 2 können Werkzeuge für den Dauerbetrieb erstellt werden, darüber hinaus kann die Masse 2 und damit auch die formgebende Fläche 7 von den Blöcken abgenommen und auf einen anderen Unterbau aufgesetzt werden, wenn dies gewünscht ist.
- Die auf die Platten 4 bzw. die Säulen 9 aufgedruckte Masse 2, die die formgebende Fläche 7 ausbildet, kann aus Metallpigmenten oder Metallgranulaten bestehen, wobei die Metallpigmente bzw. das Metallgranulat in an sich bekannter Weise nach der Fertigstellung oder nach dem Auftrag gewisser Schichtdicken mittels hoher Temperatur verschmolzen oder versintert wird. Beispielsweise geschieht dies über Einwirkung von Laserstrahlen.
- Darüber hinaus können insbesondere für die Herstellung von Prototypen Kunststoffe und insbesondere hochhärtbare Kunstharze verdruckt werden, die nach Fertigstellung einem Härteschritt unterzogen werden. Eine in dieser Weise hergestellte Schale aus Metall oder Kunststoffen kann auf den Blöcken belassen oder von diesen abgenommen werden und auf eine gegebenenfalls über Hohlräume verfügende Struktur, beispielsweise eine Gitterstruktur, aufgesetzt werden.
- Eine solche Gitterstruktur besitzt vorzugsweise in den Bereichen, in denen besonders hoher Druck zu erwarten ist, entsprechende Verstärkungen.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Werkzeug
- 2
- Masse
- 3
- Grundplatte
- 4
- Platte/Block
- 4a
- Fläche
- 5
- Befestigungseinrichtung
- 6
- Bauteil/Werkstück
- 7
- Fläche
- 8
- Stufe
- 9
- Säule
- h
- Höhe
- b
- Breite
Claims (10)
- Werkzeug (1) zum Tiefziehen von Stahlblech, wobei eine grobe Kontur eines zu formenden Werkstücks (6) mit einer Mehrzahl von Platten (4), Säulen (9) oder Blöcken ausgebildet ist und auf der einem Werkstück (6) zugewandten Fläche, die von den Platten (4), Säulen (9) oder Blöcken gebildet wird, eine Masse (2) aufgedruckt ist, welche die grobe Kontur auffüllt und werkstückseitig eine formgebende Fläche (7) bildet, wobei die Masse (2) aus einer gedruckten, und dann geschmolzenen Metallschicht ausgebildet ist.
- Werkzeug nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (4), Säulen (9) oder Blöcke aus Metall, Kunststoff, Holz oder anorganischen Werkstoffen ausgebildet sind. - Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (4), Säulen (9) oder Blöcke an einer Grundplatte (3) angeordnet sind.
- Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (4), Säulen (9) oder Blöcke mit der Grundplatte (3) verschraubt oder verklebt sind.
- Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (4), Säulen (9) oder Blöcke miteinander verschraubt, über Nuten und Federn miteinander versteckt oder über Schwalbenschwanzführungen miteinander verbunden sind.
- Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (4), Säulen (9) oder Blöcke entsprechend einer groben Kontur eines zu formenden Werkstücks (6) unterschiedliche Höhen (h) besitzen.
- Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (4), Säulen (9) oder Blöcke im Bereich starker Konturänderungen eine geringere Breite (b) haben als in Bereichen, in denen sich die Kontur wenig oder mit geringer Steigung ändert.
- Verfahren zum Herstellen eines Werkzeuges zum Tiefziehen von Stahlblech, dadurch gekennzeichnet, dass Platten (4), Säulen (9) oder Blöcke aneinander angeordnet werden, wobei die Platten (4), Säulen (9) oder Blöcke mit einer einem Werkstück (6) zugewandten Fläche (4a) eine grobe Kontur der gewünschten Werkstückform nachbilden, wobei die Platten (4), Säulen (9) oder Blöcke dementsprechend unterschiedliche Höhen (h) oder Breiten (b) besitzen, wobei auf die grobe Kontur der dem Werkstück (6) zugewandten Fläche (4a) der Platten (4), Säulen (9) oder Blöcke eine Masse (2) mit einem 3D-Drucker aufgedruckt wird, wobei mit dem Aufdrucken die Stufen (8), die zwischen den unterschiedlich hohen Platten (4), Säulen (9) oder Blöcken ausgebildet werden, aufgefüllt werden und eine formgebende Fläche (7) ausgebildet wird und anschließend die Masse (2) ausgehärtet, gesintert oder geschmolzen wird, wobei die Masse (2) aus Metall besteht und Metallpigmente mit einem Laser geschmolzen werden.
- Verfahren nach
Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die grobe Kontur so ausgebildet wird, dass sie einen Volumenanteil von mehr als 85 % des Werkzeuges (1) unter einer formgebenden Oberfläche einnimmt. - Verfahren nach
Anspruch 8 oder9 , dadurch gekennzeichnet, dass die aufgedruckte Masse (2) 5 % bis 15 % Volumenanteil des Werkzeuges (1) einnimmt.
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