DE19753530A1

DE19753530A1 - Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE19753530A1
Application number: DE1997153530
Authority: DE
Inventors: Detlef Prof Dr Kochan; Holger Dr Mettke; Bernhard Dipl Ing Mueller
Original assignee: SCHNELLEN FERTIGUNG VON MODELL
Current assignee: SCHNELLEN FERTIGUNG VON MODELL
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 1999-06-10

Description

Die Erfindung betrifft Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik, z. B. Blasformwerkzeuge sowie Verfahren zu ihrer Herstellung.

Stand der Technik

Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik werden vorwiegend aus Vollmaterial hergestellt. Bevorzugte Werkstoffe sind Stahl und Aluminium. Für geometrisch komplizierte Objekte, insbesondere solche mit Freiformflächen, ist ein hoher Bearbeitungsaufwand in der Regel mit spanabhebender bzw. senkerodierender Bearbeitung erforderlich. Kühlkanäle, die durch Bohren eingebracht werden, sind so nah wie möglich an der Werkzeuginnenkontur (Gravur, Kavität) angeordnet, um dort einen maximalen Kühleffekt zu erzielen.

Es gibt verschiedene Erfindungen mit dem Ziel, die Kühlung darüber hinaus zu verbessern. Derartige Patente gehen nach wie vor von Kühlkanälen - wenn auch verbesserten - aus und betreffen immer nur ein spezielles Verfahren (z. B. Spritzguß). Solche Lösungen sind aus den Schriften DE 42 34 961, DE 44 44 796 und DE 195 21 733 bekannt.

Kritik zum Stand der Technik

Zur Herstellung von Werkzeugen bzw. Werkzeugeinsätzen ist ein hoher Bearbeitungsaufwand (Zeit und Kosten) für das Schruppen, Schlichten, eventuell notwendiges Senkerodieren und das Einbringen von Kühlkanälen kennzeichnend.

Es ist keine optimale, gleichmäßige Kühlung der Werkzeuggravuren möglich, da sich die Kühlkanäle, die aufgrund ihrer Herstellung durch Bohren grundsätzlich linear verlaufen, der Gravur nur sehr grob und ungleichmäßig annähern. Je nach der Materialdicke zwischen Gravur und Kühlkanal unterscheiden sich die Werkzeugtemperaturen im Gravurbereich; es bilden sich thermische Zentren (Bereiche mit besonders hoher Temperatur). Daraus resultieren:

- lange Zykluszeiten,
- geringe Werkzeugstandzeit,
- Verzug des Werkzeugs bzw. Werkzeugeinsatzes,
- Spannungen und Verzug im Werkstück (Guß- bzw. Kunststoffteil)
- Einfallstellen und Porositäten.

Problemstellung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze zu schaffen, die derart gestaltet sind, daß über das gesamte Werkzeug bzw. den gesamten Werkzeugeinsatz vorzugsweise eine gleichmäßige und genau steuerbare Kühlung möglich ist.

Die Herstellung dieser Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze soll dabei schneller und kostengünstiger erfolgen als mit bisher üblichen Verfahren.

Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Patentansprüche gelöst. Überraschenderweise wurde gefunden, daß an sich bekannte urformende Fertigungsverfahren (Gießverfahren) geeignet sind, Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik zu fertigen.

Die konstruktive Gestaltung des Werkzeugs bzw. Werkzeugeinsatzes muß den Anforderungen der spanenden Herstellung nicht mehr entsprechen (Zugänglichkeit für Werkzeug, Vermeidung des Ausräumens großer Materialmengen usw.). Statt dessen kann die hohe Gestaltungsfreiheit für urformend hergestellte Objekte voll ausgenutzt werden. Das erfolgt erfindungsgemäß durch die Hinterformung der Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze.

Durch die vorzugsweise komplette oder teilweise Hinterformung wird ein schalenartiger Aufbau der Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze realisiert. Damit wird eine konstante Wanddicke des Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes im gesamten Gravurbereich erreicht.

Die erfindungsgemäßen Formelemente im ganz oder teilweise hinterformten Bereich sind ausgebildet als

- Verstärkungselemente, um mechanische Belastungen des Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes durch äußere Beanspruchungen wie Schließdruck und Einspritzdruckaufzunehmen und die Stabilität des Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes im Einsatz zu gewährleisten, und/oder als
- Kühlmittelsteuerungselemente, um die Durchströmung des hinterformten, gravurrückseitigen Bereiches mit Kühlflüssigkeit in gewünschter Weise zu steuern und/oder als
- Kühlelemente, die die Oberfläche des zu kühlenden Bereiches vergrößern, wodurch mehr Wärmeenergie abgeführt werden kann.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung

- die optimale Kühlung der gesamten Grauur. Aufgrund der konstanten geringen Wandstärke der Werkzeuggravur und der Durchspülung des gesamten hinterformten Bereiches mit Kühlflüssigkeit ist die Temperatur über den gesamten hinterformten Bereich des Werkzeugs bzw. Werkzeugeinsatzes konstant und deutlich niedriger. Daraus resultieren für den Einsatz der Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze in der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik:
- - eine gravierende Verkürzung der Zykluszeiten, was zu einer Produktivitätssteigerung führt
- - die Verringerung des thermischen Verschleißes (durch Vermeidung thermischer Zentren), was die Werkzeugstandzeiten erhöht
- - die Vermeidung von Verzug des Werkzeugs bzw. Werkzeugeinsatzes aufgrund ungleichmäßiger Wärmeausdehnung
- - die Vermeidung von Spannungen und Verzug im Werkstück (Kunststoff- bzw. Gußteil) durch eine gleichmäßigere Erstarrung und Abkühlung
- eine bessere Umsetzung der Prinzipien von Materialökonomie und Leichtbau
- eine Verringerung des Gesamtaufwandes zur Werkzeugherstellung (Zeit, Kosten) durch die drastische Reduzierung bzw. komplette Vermeidung der spanenden und/oder erodierenden Bearbeitung.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 Blasformwerkzeug eines kleinen Autos und

Fig. 2 die Rückseite des gleichen Blasformwerkzeuges.

Zur Herstellung des Werkzeugeinsatzes mit optimiertem Kühlsystem werden die neuen Prozeßketten der direkten Objektgenerierung aus 3D-CAD-Daten (Rapid Prototyping & Manufacturing) genutzt. Damit ist es möglich, in rationeller Form aus den CAD-Daten des gewünschten Objektes, die Daten der für den Werkzeugeinsatz notwendigen, geometrischen Größen abzuleiten. Diese können dann ebenfalls als 3D-CAD-Datensatz für beide Werkzeugeinsätze (Ober- und Unterteil) modelliert werden. Dabei ist unter Berücksichtigung einer aus Stabilitätsgründen notwendigen Wandstärke eine unmittelbare Annäherung an den Konturverlauf des Zielobjektes möglich.

Von dem eindeutig geschlossenen Datenmodell der Werkzeugeinsätze ausgehend wird folgende Prozeßkette realisiert:

- Schneller Objektbauprozeß mit einem Rapid-Prototyping-Verfahren (Laminated Objekt Manufacturing = LOM, Steoreolithographie = STL, Selectiv Laser Sintern = SLS, bzw. ein anderer Bauprozeß)
- Finishen und spezifischer Oberflächenschutz
- Abformen in Silikonkautschuk
- Herstellen eines Wachslings
- Feingußverfahren mit dem hergestellten Wachsling
- Endbearbeitung (Schleifen der Ablageflächen)
- Endmontage der Werkzeugeinsätze in Gesamtwerkzeuge

Anstelle des Einbeziehens der Feingußtechnik in die Prozeßkette kann auch unter Nutzung der mittels Rapid Prototyping hergestellten Urmodelle der Werkzeugeinsätze (z. B. mittels LOM- Technik) ein Abguß in Sandgußverfahren erfolgen. In diesem Fall ist die Werkzeugendform mittels (HSC)-Fräsen im Schlichtschnitt herzustellen.

Grundsätzlich ist darauf zu verweisen, daß die optimierte Kühlung der Werkzeugeinsätze wirtschaftlich nur mit Nutzung der Rapid-Prototyping-Technologien realisierbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel wird in Fig. 1 veranschaulicht. Es handelt sich um ein Werkzeug bzw. einen Werkzeugeinsatz 1 für ein Blasformwerkzeug eines kleinen Autos (VW-Käfer stilisiert). Insbesondere durch beide Radaufnahmen ergibt sich eine starke Profilierung der gesamten Form, mit der daraus resultierenden unterschiedlichen Temperaturverteilung während des Blasformvorganges.

Die Ansicht der Rückseite des gleichen Blasformwerkzeuges 1 veranschaulicht Fig. 2. In diesem Bild ist die schalenförmige, dem Profil des Werkzeugeinsatzes 1 folgende Gesamtform, eindeutig zu erkennen. Die gleichmäßige Wandstärke von einigen Millimetern gewährleistet einen gleichmäßigen Verlauf der Kühlung im Rückraum des Werkzeuges 1. Der gezielte Durchfluß des Kühlmittels, insbesondere an kritischen Teilen des Blasformwerkzeuges 1 wird durch zusätzlich eingebrachte Formelemente (Rippen) 2 gewährleistet. Die erfindungsgemäßen Formelemente (Rippen) 2 können so angeordnet sein, daß sie Kühlkanäle zur definierten Strömung für das Kühlmedium bilden.

Gleichzeitig können diese Rippen 2 als Stabilisierungselemente für das Werkzeug 1 angesehen werden. Der Verschluß des Kühlraumes wird durch eine aufzuschraubende Metallplatte gewährleistet.

Claims

1. Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Werkzeug bzw. der Werkzeugeinsatz (1) vorzugsweise analog der Kontur der Gravur/Kavität, die das Konturnegativ des herzustellenden Erzeugnisses darstellt, in konturparallelem Abstand mit definierter Wandstärke ganz oder teilweise hinterformt ist,
- daß im ganz oder teilweise hinterformten Bereich Formelemente (2) angeordnet sind,
- daß die Formelemente (2) als Verstärkungselemente und/oder Kühlmittelsteuerungselemente und/oder Kühlelemente ausgebildet sind,
- daß die Formelemente (2) mit einer Außenwandung des Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes verbunden sind.

2. Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze für abformende Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formelemente (2) rippenartig gestaltet sind.

3. Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze für abformende Fertigungsverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Formelemente (2) als Kühlkanäle gestaltet und angeordnet sind.

4. Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen bzw. Werkzeugeinsätzen für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik dadurch gekennzeichnet, daß Ur- bzw. Fertigungsmodelle der Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze (1) mittels einem Rapid- Prototyping-Verfahren gefertigt werden, wobei ein Wachsling für den Feinguß hergestellt wird, welcher mit Keramik umhüllt ist und die Keramikschale gesintert wird, daß dann der Feinguß erfolgt, die Anschluß und Kontaktflächen spanend bearbeitet werden, die Aufspannbohrungen sowie Eintritts- und Austrittsöffnungen für die Kühlflüssigkeit eingearbeitet werden und vorzugsweise eine Feinschlichtbearbeitung der Gravur vorgenommen wird.