DE4217988A1 - Verfahren zur Herstellung des gestaltgebenden Bereiches gestaltspeichernder Werkzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung des gestaltgebenden Be­ reiches von gestaltspeichernden Werkzeugen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Anwendung gestaltspeichernder Werkzeuge konventioneller Bauart erfolgt auf Grund der aufwendigen Herstellung nahezu ausschließlich im Bereich der Großserien- und Massenfertigung. In der Serienvorbereitung sind in der Regel Muster, Prototypen und Nullserien zu erstellen, unter Anwendung solcher Verfah­ ren, die den späteren Fertigungsbedingungen entsprechen. Im Gegensatz zur Massenfertigung- wo insbesondere kurze Zyklus­ zeiten, hohe Stückzahlen und optimale Qualität im Mittelpunkt stehen, sind hierbei schnelle Teileverfügbarkeit und hohe Fle­ xibilität bei Änderung von Bedeutung.

Gestaltspeichernde Werkzeuge sind wegen des mit ihnen reali­ sierbaren stufenarmen Teilefertigungsprozesses auch im Bereich kleiner Stückzahlen (Kleinserienfertigung) wünschenswert ein­ zusetzen, wenn die Kosten zu ihrer Herstellung dies zulassen.

Der gestaltgebende Bereich gestaltspeichernder Werkzeuge wird in der Regel durch spanende (Fräsen, Hobeln, Drehen) oder ab­ tragende (Senk- und Drahterodieren) Fertigungsverfahren herge­ stellt. Für den Bereich kleiner Stückzahlen ist die Fertigung von Formschalen durch Gießen, galvanisches Abscheiden oder Me­ tallspritzen bekannt. Dabei kommen je nach Verwendungszweck Werkstoffe wie Siliconkautschuk, Epoxidharz und niedrigschmel­ zende Metalle und ihre Legierungen, z. B. Zinklegierungen, Wismut-Zinn-Legierungen, aushärtbare Aluminiumlegierungen, Nickel-Kupfer, zum Einsatz. Voraussetzung für solche Verfahren ist jedoch die Existenz eines körperlich vorliegenden Modells, dessen Herstellung Zeit in Anspruch nimmt und Kosten verur­ sacht. Seit einiger Zeit steht auch die CAD/CAM-Technologie im Blickpunkt. Dabei wird′ die Kontur des Bauteils oder der Form entweder direkt mit CAD oder über Digitalisierung des Modells mit anschließender Übergabe der Daten an den Rechner erzeugt. Das rechnerinterne Modell wird nach einer entsprechenden Modi­ fizierung zur Erstellung von NC-Daten verwendet. Die Herstel­ lung des Formhohlraumes oder der Erodierelektrode geschieht dann in der Regel unter Verwendung dieser Daten mittels auf­ wendiger spanender Bearbeitung.

Ferner wird in DE 36 26 019 C1 eine Vorrichtung zum Herstellen von Prototypen vorgestellt, wobei die Gestaltspeicherung über Segmente variabler Größe erfolgt. Dem dargestellten Prinzip liegt aber auch die spanende Ausarbeitung der einzelnen den Formhohlraum bildenden Segmente zugrunde.

Es gilt, die Nachteile der den Stand der Technik repräsentie­ renden Verfahren zur Herstellung des gestaltgebenden Bereiches gestaltspeichernder Werkzeuge, wie Modellherstellung als Vor­ aussetzung zur Werkzeugfertigung und die, vor allem hinsicht­ lich der Zeit, aufwendige spanende Herstellung des Formhohl­ raumes zu umgehen. Ferner ist es bisher in der Regel nicht möglich, den örtlichen Beanspruchungen gerecht werdende Werk­ stoffe oder Werkstoffkombinationen (Werkstoffverbunde) einzu­ setzen. Das tun zu können würde die Möglichkeit eröffnen, hochwertige Werkstoffe, die oft auch ein entsprechend hohes Kapital verkörpern, nur partiell dort einzusetzen, wo sie we­ gen der vorherrschenden Beanspruchungen auch notwendig sind.

Durch die Beseitigung dieser Nachteile soll mit dem erfin­ dungsgemäß vorliegenden Verfahren der zeitliche und finanziel­ le Aufwand zur Herstellung des gestaltgebenden Bereiches in dem Maße gesenkt werden, daß die Herstellung von Prototypen, Null- und Vorserien effizienter, aber auch der Einsatz ge­ staltspeichernder Werkzeuge für Kleinserien möglich wird.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstel­ lung oder Fertigung des gestaltgebenden Bereiches gestaltspei­ chernder Werkzeuge beispielsweise solcher zum Gesenktiefzie­ hen, insbesondere für kleine Stückzahlen. Das Verfahren ge­ stattet es, ferner die Herstellung der zur Funktion des Werk­ zeuges notwendigen Hohlräume, die sich in der Nähe des Form­ hohlraumes befinden, wie Temperierkanäle oder Anschnittsyste­ me, mit dem Formhohlraum zu koppeln. Damit können z. B. Tempe­ rierkanäle optimal, d. h. den auftretenden thermischen Bela­ stungen entsprechend, dimensioniert und angeordnet werden, was mit konventionellen Methoden nicht oder nur sehr aufwendig möglich ist. Weiterhin ermöglicht das Verfahren eine Abstufung der Materialzusammensetzung über den Querschnitt des gestalt­ gebenden Bereiches. Dadurch wird die Verwendung von den ört­ lich auftretenden Beanspruchungen angepaßten Werkstoffen mög­ lich. Bei vorzeitigem Verschleiß oder bei Versagensfällen, die nur einen Bereich des Werkzeuges betreffen, gestattet das Ver­ fahren den partiellen Wechsel von Formelementen. Nach der Re­ paratur steht eine neuwertige Form zur Verfügung.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des gestaltge­ benden Bereiches gestaltspeichernder Werkzeuge ist wie folgt gekennzeichnet: Der gestaltgebende Bereich - das Negativ des herzustellenden Werkstückes (Gravur, Kavität) - wird durch ei­ ne endliche Anzahl von parallelen Schichten repräsentiert, wo­ bei jede Schicht einen Teil der Endgestalt speichert und die Bodenfläche einer Schicht von der der darauffolgenden genau um die jeweilige Schichtdicke entfernt ist, d. h., der Abstand der Schichten zueinander ist gleich Null. Die zu wählende Schichtdicke ist im einfachsten Fall über die gesamte Form gleich oder sie wird variabel in Abhängigkeit von den Kontur­ übergängen der Gestalt gewählt. Die Integration aller Schich­ ten ergibt die vollständige Kontur des gestaltgebenden Berei­ ches, der durch die Form und Lage der inneren Konturen jeder Schicht und die Lage (Beziehungen) der einzelnen Schichten zu­ einander definiert ist. Der (die) zur Ausbildung der die Schichten körperlich repräsentierenden Materialscheiben zu verwendende(n) Werkstoff(e) ergibt (ergeben) sich aus den je­ weils konkret vorherrschenden Beanspruchungsmerkmalen. Bei­ spielsweise ist unter Beachtung der thermischen Verhältnisse die Anwendung von Stahlblech für kalt arbeitende Verfahren, insbesondere Gesenktiefziehen, und die von Keramikblättchen für schmelztechnisch arbeitende Verfahren, insbesondere Fein­ gießen, vorzusehen.

Die Ausarbeitung der jeder einzelnen Schicht zugeordneten Kon­ tur aus den die Schichten repräsentierenden Materialscheiben erfolgt mit einem Fertigungsverfahren, das hinsichtlich der Konturanpassung ausreichend flexibel ist. Verfahren wie Laser­ strahlschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Ätzen entsprechen dieser Forderung, wobei je nach konkretem Anwendungsfall das optimale Verfahren zu bestimmen ist.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Steuerung der einzelnen Verfah­ rensschritte auf der Grundlage der numerischen Erfassung des gestaltgebenden Bereiches, d. h. unter Nutzung eines rechner­ internen Modells, das vorzugsweise unter Verwendung eines CAD-Systems erstellt wird. Unter Anwendung geeigneter Rechnerpro­ gramme wird das rechnerinterne Modell unmittelbar zur Erzeu­ gung der einzelnen, in ihrer Gesamtheit die Form charakteri­ sierenden Schichten genutzt. Die für die Konturausarbeitung durch ein geeignetes Fertigungsverfahren notwendigen Eingangs­ informationen (Geometrie der Kontur je Schicht) werden direkt aus dem rechnerinternen Modell der jeweiligen Schicht abgelei­ tet und unter Zuhilfenahme von numerischen Steuerprogrammen in Bewegungsinformationen zur Konturausarbeitung umgesetzt.

Die Innenkontur der so entstandenen Materialscheibe repräsen­ tiert die numerische Charakterisierung der zugeordneten Schei­ be.

Die übereinandergeschichteten Materialscheiben ergeben in ih­ rer Integration das nun körperlich existierende Werkzeug. Die Verbindung der einzelnen Materialscheiben ist mittels ver­ schiedener, nach den jeweiligen konkret vorliegenden Bedingun­ gen zu wählender, Verfahren möglich. Das sind beispielsweise Laserstrahlschweißen auch in Verbindung mit der Konturausar­ beitung, Diffusionsverbindung oder die Anwendung von Binder­ werkstoffen.

Für einige Anwendungsfälle wird die nach den erfindungsgemäßen Prinzipien hergestellte Form einer Nacharbeit zur Verbesserung der Konturwiedergabe bedürfen. Dafür kommt dann auch ein spa­ nendes Verfahren in Frage, da die in diesem Zusammenhang abzu­ spanende Materialmenge gering ist und die notwendigen Steuer­ programme aus der schon existierenden rechnerinternen, numeri­ schen Darstellung direkt abzuleiten sind.

Der Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Prinzips dienen die Fig. 1 und 2. Dargestellt ist in Fig. 1 der in Schich­ ten gegliederte gestaltgebende Bereich eines Gesenktiefzieh­ werkzeuges, wobei auch Schichten unterschiedlicher Dicke, die beispielsweise ein Vielfaches voneinander betragen können (b = 2·a; c = 4·a), zur Anwendung kommen. Fig. 2 zeigt eine einzelne Schicht 1 aus Fig. 1, die dann körperlich durch ein scheibenförmiges Bauelement (Materialscheibe), auf das die Kontur der Schicht übertragen wird, zu realisieren ist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung des gestaltgebenden Bereiches gestaltspeichernder Werkzeuge, insbesondere Tiefziehwerk­ zeuge, gekennzeichnet dadurch, daß der gestaltgebende Be­ reich durch eine endliche Anzahl parallel zueinander lie­ gender Schichten, auch unterschiedlicher Dicke, gebildet wird, wobei der Abstand zwischen den Schichten gleich Null ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihrer Integration den formgebenden Bereich wiedergeben­ den Schichten, körperlich durch scheibenförmige Bauelemen­ te (Materialscheiben) repräsentiert werden, wobei jeder Schicht genau eine Materialscheibe zugeordnet ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kontur der einzelnen die Schichten repräsen­ tierenden scheibenförmigen Bauelemente mittels hinsichtlich der Konturanpassung flexiblen Fertigungsverfahren, wie La­ serbearbeitung, Wasserstrahlschneiden oder Ätzen, herge­ stellt werden kann.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Fertigung funktionell notwendiger, dem formge­ benden Bereich angegliederter Hohlräume, wie Temperierkanä­ le oder Anschnittsysteme, mit in die Herstellung des Form­ hohlraumes integriert werden kann.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeich­ net, daß die einzelnen Verfahrensschritte auf der Grundlage einer numerischen Erfassung des gestaltspeichernden Berei­ ches einschließlich umliegender Hohlräume, ausgeführt wer­ den, wozu alle Eingangsinformationen aus einem rechnerin­ ternen Modell abgeleitet werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Werkzeug-Verwendungszweck entsprechend unter­ schiedliche Werkstoffe zum Einsatz kommen können, und zwar sowohl innerhalb eines Werkzeuges als auch von Werkzeug zu Werkzeug.