DE4431985A1 - Verfahren zur Erzeugung von Werkzeugkonturen für die Prototypenherstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Werkzeugkonturen für die Prototypenherstellung aus Kunststoffen und Elastomeren, wobei als Aus­ gangspunkt der Formteilherstellung ein Muster verwendet wird.

In Vorbereitung der Markteinführung neuer Erzeugnisse sind verschiedene Un­ tersuchungen notwendig, um sofort mit Aufnahme der Serienfertigung eine ausreichende Erzeugnisqualität zu gewährleisten. Für derartige Untersuchun­ gen werden vorzugsweise Prototypen eingesetzt. Sofern die künftigen Erzeug­ nisse aus Kunststoffen oder elastomeren Werkstoffen bestehen, werden für die Herstellung der Prototypen weitgehend seriennahe Fertigungstechniken angestrebt. Ausgangspunkt ist üblicherweise ein Muster, von dem über meh­ rere Zwischenstufen ein Formteil erzeugt wird. Dieses Formteil stellt die Werkzeugkontur des jeweiligen Musters dar und wird auf einer Standardverar­ beitungsmaschine, beispielsweise einer Spritzgießmaschine, einer Presse oder einer Blasformmaschine, als sog. Prototypenwerkzeug verwendet. Für die Erzeugung der Werkzeugkonturen sind bereits verschiedene Verfahren bekannt. Die Formen werden z. B. aus Metall oder aus konventionellen, alumi­ niumgefüllten Epoxidharzen gegossen. Weiterhin ist die Verwendung spritzme­ tallbeschichteter Formen möglich. Ferner ist ein galvanischer Schichtenauf­ bau für die Formbauteile bekannt. Schließlich können die Formenwerkzeuge auch durch zerspanende Bearbeitung hergestellt werden.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahren zur Erzeugung von Werkzeugkontu­ ren besteht darin, daß grundsätzlich mehrere Prozeßstufen notwendig sind. Diese Zwischenstufen, beispielsweise die Herstellung eines Schwundmodells, verursachen einen hohen Arbeits- und Zeitaufwand und bestimmen somit primär die Kosten zur Erzeugung der jeweiligen Werkzeugkonturen für die Prototy­ penherstellung. Gleichzeitig ist bei diesen Verfahren die Nutzung moderner Konstruktionstechniken (CAD) nicht oder nur bedingt möglich. Außerdem ergeben sich weitere verfahrensspezifische Nachteile: Epoxidharz­ formen haben eine für zahlreiche Anwendungsfälle ungenügende Wärmeformbe­ ständigkeit, schichtenweise aufgebaute Formen neigen zu thermischem Verzug und unterliegen somit einem vorzeitigen Verschleiß.

Aufgabe der Erfindung ist es, die notwendigen Zwischenstufen bei gattungs­ gemäßen Verfahren zur Erzeugung von Werkzeugkonturen für die Prototypenher­ stellung aus Kunststoffen und Elastomeren zu reduzieren. Insbesondere soll hierbei eine Verfahrenskette vom Muster bis zur Kontur des Prototypenwerk­ zeuges unter durchgängiger Anwendung der Rechentechnik geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem zunächst vom Muster compu­ tertechnisch Raumkoordinaten ermittelt werden, nachfolgend eine Korrektur dieser Werte aufgrund des Volumenschwundes der zu verarbeitenden Kunststof­ fe bzw. Elastomere erfolgt, anschließend die räumliche Festlegung von Form­ teilungsebene sowie notwendiger Freiräume für Angußsystem, Auswerferelemen­ te und Einlegeteile erfolgt und danach auf stereolithographischem Weg, un­ ter weitgehender Ausschaltung von Zwischenstufen einer Modellherstellung, ein Formkonturmuster erzeugt wird, welches nachfolgend für die Herstellung von Werkzeugkonturen aus gießfähigen Hochleistungsverbundwerkstoffen ver­ wendet wird. Durch die computertechnische Verarbeitung der Formteilgeome­ trien ist es möglich, die Schwindung der zu verarbeitenden Werkstoffe be­ reits bei der Erzeugung der Formkontur zu berücksichtigen. Die Herstellung eines Formkonturmusters auf stereolithographischem Weg gewährleistet sowohl eine schnelle Verfügbarkeit von Mustern für die Simulation der späteren Formteile als auch eine schnelle Abbildung des Formteils als Werkzeugkon­ tur. Durch das Umgießen des Formkonturmodells mit Hochleistungsverbundwerk­ stoffen entstehen innerhalb weniger Stunden temperatur- und druckbelastbare Formkonturen. Mittels dieser Formkonturen können nach dem Vervollständigen und dem Einbau in Werkzeugnormalien und in Standardverarbeitungsmaschinen, beispielsweise Spritzgießmaschinen, Pressen oder Blasformmaschinen, Proto­ typen hergestellt werden. Somit ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren mit Hilfe von 3D-CAD-Daten die Herstellung von Kunststoff- und Elastomerform­ teilen unter Serienbedingungen mit lediglich geringem Zeitaufwand.

Als Hochleistungsverbundwerkstoff wird vorzugsweise ein hochtemperaturfe­ stes Gießharz verwendet, welches mit Aluminiumkugeln mit einem Durchmesser von 0,4-0,7 mm, Kohlenstoffasern mit einer Länge von 0,2-2,0 mm, einem Härter sowie mit einem Lösungsmittel mit einem Dampfdruck von 1,0-80,0 mbar modifiziert ist. Die Zugabe von Aluminiumkugeln ergibt eine verbesser­ te Wärmeleitfähigkeit. Durch Zugabe von Kohlenstoffasern wird eine Erhöhung der Wärmeformbeständigkeit, der Druckfestigkeit und der Kantenbruchfestig­ keit sowie eine Reduzierung der Wärmeausdehnung erreicht. Das Lösungsmittel bewirkt eine Verbesserung der Fließfähigkeit des hochgefüllten Gießharzge­ misches.

In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Herstellung der Werkzeugkonturen aus gießfähigen Hochleistungsverbundwerkstoffen unter Va­ kuumbedingungen bei 0,1 bis 1,0 mbar erfolgt. Durch die Verarbeitung unter Vakuum werden luft- und lösungsmittelfreie Formkonturen mit hoher Form- und Maßhaltigkeit erzeugt.

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Aushärtung des Hochleistungsverbund­ werkstoffes in definierten Zeit- und Temperaturstufen erfolgt. Hierbei wird eine Verbesserung von Wärmeleitfähigkeit, Härte, Druckfestigkeit und Wärme­ formbeständigkeit erreicht.

Schließlich ist es mit der Erfindung möglich, daß die erzeugten Werkzeug­ kontureinsätze mechanisch weiterbearbeitet und die Konturoberflächen po­ liert werden. Mit spanender Bearbeitung kann die Vervollständigung zum Formwerkzeug mit Normalien und anderen Bauteilen erfolgen. Durch Polieren oder Strahlen der Konturoberflächen wird das Aussehen der Prototypen vor­ teilhaft verbessert.

Ausgangspunkt für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Muster, von dem mindestens ein Prototyp aus Kunststoff oder Elastomer her­ gestellt werden soll. Das Muster kann sowohl gegenständlich als auch in Form einer CAD-Konstruktion vorliegen. Für die Erzeugung der notwendigen Werkzeugkonturen werden zunächst vom Muster computertechnisch Raumkoordi­ naten ermittelt. Die entsprechenden Werte werden nachfolgend unter Berück­ sichtigung des voraussichtlichen Volumenschwundes der zu verarbeitenden Kunststoffe bzw. Elastomere korrigiert. Anschließend erfolgt die räumliche Festlegung der Formteilungsebene sowie der notwendigen Freiräume für das Angußsystem, die Auswerferelemente und eventuelle Einlegeteile. Danach wird auf stereolithographischem Weg, unter weitgehender Ausschaltung von Zwi­ schenstufen einer Modellherstellung, ein Formkonturmuster erzeugt. Dieses Formkonturmuster wird nachfolgend für die Herstellung von Werkzeugkonturen aus gießfähigen Hochleistungsverbundwerkstoffen verwendet. Als Hochlei­ stungsverbundwerkstoff wird z. B. ein hochtemperaturfestes Gießharz verwen­ det, welches mit Aluminiumkugeln mit einem Durchmesser von 0,4-0,7 mm, Kohlenstoffasern mit einer Länge von 0,2-2,0 mm, einem Härter sowie mit einem Lösungsmittel mit einem Dampfdruck von 1,0-80,0 mbar modifiziert ist. Die Herstellung der Werkzeugkonturen erfolgt unter Vakuumbedingungen bei 0,1 bis 1,0 mbar.

Die Aushärtung des Hochleistungsverbundwerkstoffes erfolgt in definierten Zeit- und Temperaturstufen. Nach der Aushärtung ist es möglich, daß die Werkzeugkontureinsätze mechanisch weiterbearbeitet und die Konturoberflä­ chen poliert werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erzeugung von Werkzeugkonturen für die Prototypenherstel­ lung aus Kunststoffen und Elastomeren, wobei als Ausgangspunkt der Form­ teilherstellung ein Muster verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst vom Muster computertechnisch Raumkoordinaten ermittelt wer­ den, nachfolgend eine Korrektur dieser Werte aufgrund des Volumenschwun­ des der zu verarbeitenden Kunststoffe bzw. Elastomere erfolgt, an­ schließend die räumliche Festlegung von Formteilungsebene sowie notwen­ diger Freiräume für Angußsystem, Auswerferelemente und Einlegeteile er­ folgt und danach auf stereolithographischem Weg, unter weitgehender Aus­ schaltung von Zwischenstufen einer Modellherstellung, ein Formkonturmu­ ster erzeugt wird, welches nachfolgend für die Herstellung von Werkzeug­ konturen aus gießfähigen Hochleistungsverbundwerkstoffen verwendet wird.

2. Verfahren zur Erzeugung von Werkzeugkonturen für die Prototypenherstel­ lung aus Kunststoffen und Elastomeren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochleistungsverbundwerkstoff ein hochtemperaturfestes Gießharz verwendet wird, welches mit Aluminiumkugeln mit einem Durchmesser von 0,4 bis 0,7 mm, Kohlenstoffasern mit einer Länge von 0,2 bis 2,0 mm, ei­ nem Härter sowie mit einem Lösungsmittel mit einem Dampfdruck von 1,0 bis 80,0 mbar modifiziert ist.

3. Verfahren zur Erzeugung von Werkzeugkonturen für die Prototypenherstel­ lung aus Kunststoffen und Elastomeren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Werkzeugkonturen aus gießfähigen Hochleistungs­ verbundwerkstoffen unter Vakuumbedingungen bei 0,1 bis 1,0 mbar erfolgt.

4. Verfahren zur Erzeugung von Werkzeugkonturen für die Prototypenherstel­ lung aus Kunststoffen und Elastomeren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushärtung des Hochleistungsverbundwerkstoffes in definierten Zeit- und Temperaturstufen erfolgt.

5. Verfahren zur Erzeugung von Werkzeugkonturen für die Prototypenherstel­ lung aus Kunststoffen und Elastomeren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugten Werkzeugkontureinsätze mechanisch weiterbearbeitet und die Konturoberflächen poliert werden.