DE60020725T2

DE60020725T2 - Herstellung einer form

Info

Publication number: DE60020725T2
Application number: DE60020725T
Authority: DE
Inventors: Robert James Bond
Original assignee: RAPID DESIGN TECHNOLOGIES Pty; Rapid Design Technologies Pty Ltd
Current assignee: RAPID DESIGN TECHNOLOGIES Pty; Rapid Design Technologies Pty Ltd
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2020-10-07
Also published as: EP1220625A1; CN1390099A; AU7887600A; CA2382750A1; DE60020725D1; ATE297142T1; JP2003527977A; EP1220625B1; WO2001026498A1; HK1052280B; AU771152C; CN1177551C; US6691763B1; CA2382750C; AU771152B2; HK1052280A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf ein System und auf ein Verfahren zur Produktion und Herstellung von Formen und genauer, aber nicht ausschließlich, auf ein System und ein Verfahren zur Herstellung und Produktion von Formen zur Verwendung in einem weiten Bereich von Produktionsvorgängen, wie etwa Spritzgießen, Dauerformgießen und dergleichen.
Hintergrund der Erfindung
Ein Verfahren und ein System zur Herstellung eines Metallerzeugnisses, wie etwa einer Form, ist in der südafrikanischen Patentanmeldung Nr. 99/2209 des Anmelders offenbart.
Das offenbarte Verfahren zur Herstellung einer Form weist die folgenden Schritte auf:
Bereitstellen eines CAD-Modells der auszubildenden Form,
rasches Herstellen eines Prototyps eines dreidimensionalen Musters der Form aus ihrem CAD-Modell,
Herstellen einer Gießform der Form mittels ihres dreidimensionalen Muster und
Abgießen der Form von der Gießform.
Auch wenn das Verfahren des Anmelders effektiv ist und die schnelle Herstellung neuer Werkzeuge zuläßt, sind eine Anzahl von Schwierigkeiten aufgetreten. Insbesondere zeigen die in dem Abgießschritt des Verfahrens hergestellten Abgüsse ein Maß an Metallschrumpfung, das schwer vorherzusagen ist und das die Genauigkeit eines Enderzeugnisses beeinflußt, das mittels der Form hergestellt werden soll.
Ferner ist es schwierig und kostspielig, eine Strukturierung der Oberfläche solcher Formen zu erreichen.
WO 9939889 offenbart eine thermisch effiziente Gießvorrichtung und ein thermisch effizientes Gießverfahren, und US 5823778 offenbart ein Abbildungsverfahren zur Herstellung von Dentalvorrichtungen. Die Erfindungen dieser Dokumente helfen nicht bei der Lösung der obigen Probleme.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, ein System und ein Verfahren zur Herstellung einer Form zum Gießen oder Ausbilden eines Metallerzeugnisses bereitzustellen, die zumindest teilweise die oben erwähnten Schwierigkeiten und Nachteile verringern.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer Form, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Bereitstellen eines Referenz-CAD-Modells der Form mit gewünschten Maßen,
Bereitstellen eines überdimensionierten CAD-Modells der Form,
Herstellen eines überdimensionierten Abgusses der Form mittels einer Gießform von ihr und
Abtragen des überdimensionierten Abgusses bis seine Maße im Wesentlichen dieselben wie diejenigen des Referenz-CAD-Modells sind, dadurch gekennzeichnet,
daß in das überdimensionierte CAD-Modell eine Anzahl von Bezugspunkten aufgenommen wird, die ausreichend sind, um ein dreidimensionales Koordinatensystem bezüglich des CAD-Modells zu definieren,
daß der überdimensionierte Abguß abgebildet wird, um Koordinaten der Fläche des überdimensionierten Abgusses bezüglich eines durch die Bezugspunkte an dem Abguß definierten dreidimensionalen Koordinatensystems zu erhalten,
daß die Koordinaten in ein abgemessenes CAD-Modell konvertiert werden, und
daß die Maße des überdimensionierten Abgusses, wie sie bei dem abgemessenen CAD-Modell vorliegen, mit dem Referenz-CAD-Modell verglichen werden, um eine Abweichung von diesem zu erfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der überdimensionierte Abguß der Form mittels der folgenden Schritte hergestellt:
Rasches Herstellen eines Prototyps eines dreidimensionalen Musters der Form auf der Basis ihres überdimensionierten CAD-Modells,
Herstellen einer Gießform der Form mittels ihres dreidimensionalen Musters und
Abgießen der überdimensionierten Form von der Gießform.
Noch weitere Merkmale der Erfindung ermöglichen das Messen der tatsächlichen Maße des überdimensionierten Abgusses mittels der folgenden Schritte:
Abbilden des überdimensionierten Abgusses, um die Koordinaten der Fläche des überdimensionierten Abgusses bezüglich des durch die Anzahl von Bezugspunkten an dem Abguß definierten dreidimensionalen Koordinatensystems zu erhalten, und
Konvertieren der Koordinaten in ein abgemessenes CAD-Modell.
Noch weitere Merkmale der Erfindung ermöglichen ein Abtragen des überdimensionierten Abgusses durch irgendeines der Verfahren der Laserablation, der maschinellen Bearbeitung oder der Funkenerosion und das Abbilden des überdimensionierten Abgusses mittels eines laserbasierten oder alternativ eines kontaktbasierten Bildgebungssystems bzw. Abbildungssystems.
Es ist auch vorgesehen, daß das Verfahren den zusätzlichen Schritt aufweist, zumindest einen Teil der Fläche des Abgusses zu strukturieren und
zumindest einen Teil der Fläche des Abgusses zu strukturieren, indem:
ein Referenz-CAD-Modell der zum Anwenden auf die Fläche des Abgusses gewünschten Struktur bereitgestellt wird,
der zu strukturierende Teil der Fläche des Abgusses als eine Funktion der Koordinaten von jedem der Anzahl von Bezugspunkten an dem Abguß identifiziert wird, und
der identifizierte Teil der Fläche des Abgusses in Übereinstimmung mit dem Referenz-CAD-Modell der zum Anwenden auf die Fläche des Abgusses gewünschten Struktur abgetragen wird.
Es ist ferner vorgesehen, den Teil der Fläche des Abgusses mittels Laserablationen abzutragen.
Es ist ferner die Möglichkeit vorgesehen, mindestens einen integralen Kühlweg durch den überdimensionierten Abguß aufzunehmen, und die Möglichkeit, daß der integrale Kühlweg auch eine hohle Rückseite und ein Leitelement aufweist, um die Strömung eines Kühlmittels dadurch zu leiten.
Die Erfindung schafft auch ein System zum Herstellen einer Form, wobei das System umfaßt:
Mittel zum Erzeugen eines Referenz-CAD-Modells einer herzustellenden Form mit gewünschten Maßen,
Mittel zum Erzeugen eines überdimensionierten CAD-Modells der Form, das eine Anzahl von Bezugspunkten enthält, die ausreichend sind, um ein dreidimensionales Koordinatensystem bezüglich des CAD-Modells zu definieren,
eine Herstellungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, einen überdimensionierten Abguß der Form mittels einer Gießform von ihr herzustellen, und
eine Ablationseinrichtung, welche dafür angepaßt ist, den überdimensionierten Abguß abzutragen, bis seine Maße im Wesentlichen dieselben wie diejenigen des Referenz-CAD-Modells sind, gekennzeichnet durch
ein Bildgebungssystem, welches dafür angepaßt ist, Koordinaten der Fläche des überdimensionierten Abgusses bezüglich des durch die Bezugspunkte an dem Abguß definierten dreidimensionalen Koordinatensystems zu erhalten und die Koordinaten in ein abgemessenes CAD-Modell zu konvertieren, und
Vergleichsmittel zum Vergleichen der Maße des überdimensionierten Abgusses, wie sie bei dem abgemessenen CAD-Modell vorhanden sind, mit dem Referenz-CAD-Modell, um eine Abweichung von diesem zu erfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Herstellungseinrichtung:
eine Einrichtung zum raschen Herstellen eines Prototyps, welche ausgestaltet ist, um ein dreidimensionales Muster der Form ausgehend von ihrem überdimensionierten CAD-Modell herzustellen, und
ein Herstellungsmittel zum Herstellen einer Gießform der Form mittels ihres dreidimensionalen Musters und zum Abgießen der Form von ihrer Gießform.
Es ist ferner vorgesehen, daß die Meßmittel ein Bildgebungssystem bzw. Abbildungssystem sind, das angepaßt ist, um die Koordinaten der Fläche des überdimensionierten Abgusses bezüglich des durch die Anzahl von Bezugspunkten an dem Abguß definierten dreidimensionalen Koordinatensystems zu erhalten, und um die Koordinaten in ein abgemessenes CAD-Modell zu konvertieren.
Es ist außerdem ferner vorgesehen, daß die Ablationseinrichtung irgendeine einer Laserablationseinrichtung, einer maschi nellen Bearbeitungseinrichtung oder einer Funkenerosionseinrichtung ist, und daß das Bildgebungssystem ein laserbasiertes oder alternativ ein kontaktbasiertes Bildgebungssystem ist.
Es ist auch vorgesehen, daß das System ein Strukturierungsmittel zum Strukturieren von wenigstens einem Teil der Fläche des Abgusses umfaßt, und daß das Strukturierungsmittel umfaßt:
Mittel zum Erzeugen eines Referenz-CAD-Modells einer gewünschten, auf die Fläche des Abgusses anzuwendenden Struktur,
Identifikationsmittel zum Identifizieren des zu strukturierenden Teils der Fläche des Abgusses als eine Funktion der Koordinaten von jedem der Anzahl von Bezugspunkten an dem Abguß und
eine Ablationseinrichtung, welche dafür angepaßt ist, den identifizierten Teil der Fläche des Abgusses in Übereinstimmung mit dem Referenz-CAD-Modell der zum Anwenden auf die Fläche des Abgusses gewünschten Struktur abzutragen.
Es ist auch vorgesehen, daß die Ablationseinrichtung eine Laserbearbeitungseinrichtung ist.
Es ist ferner vorgesehen, daß der überdimensionierte Abguß mindestens einen integralen Weg durch diesen enthält, und daß der Weg eine hohle Rückseite und ein Leitelement enthält, um eine Strömung von Kühlmittel dadurch zu leiten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung eines Systems zum Herstellen einer Form gemäß der Erfindung ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Auf 1 Bezug nehmend ist ein System zum Herstellen einer Form allgemein durch das Bezugszeichen (1) gekennzeichnet.
Das System (1) enthält eine Einrichtung zum raschen Herstellen eines Prototyps, die allgemein durch das Bezugszeichen (2) gekennzeichnet ist, und eine Herstellungseinrichtung (3). Die Einrichtung (2) zum raschen Herstellen eines Prototyps weist einen CAD-Prozessor (nicht gezeigt) und eine Stereolithographie-(SL-)Maschine (9) auf. Die Einrichtung (2) zum raschen Herstellen eines Prototyps und ihr Betrieb sind im Stand der Technik wohl bekannt und werden hier nicht im Detail beschrieben.
Der CAD-Prozessor (7) erzeugt Daten, die sich auf ein dreidimensionales Modell einer Form beziehen, die produziert werden soll. Das CAD-Modell enthält eine Anzahl von, bevorzugt drei, Bezugspunkten an der Form, die ausreichen, um ein dreidimensionales Koordinatensystem in Bezug auf die Form zu definieren. Diese Bezugspunkte werden als eine Basis zur Messung der physikalischen Maße einer in Übereinstimmung mit dem CAD-Modell hergestellten Form verwendet, wie es nachfolgend detaillierter beschrieben wird.
Die Herstellungseinrichtung (3) weist ein Elektroformungsbad, eine Investmentgußeinrichtung und einen Stichflammenofen (nicht gezeigt) auf, die im Stand der Technik wohl bekannt sind.
Das System (1) weist ferner ein Meßmittel (4) in der Form eines Laserabbildungssystems, das kommerziell von Brenckmann GmbH aus Deutschland erhältlich ist, sowie eine Ablationseinrichtung (5) in der Form eines Laserbearbeitungssystems der Art auf, die im Stand der Technik wohl bekannt sind und die kommerziell von HK Technologies Laser Systems aus Großbritannien oder LANG GmbH & Co. aus Deutschland erhältlich sind.
Bei der Verwendung wird durch den CAD-Prozessor (nicht gezeigt) ein CAD-Modell (7) einer Form mit gewünschten Maßen erzeugt, die durch das System produziert werden soll. Der CAD-Prozessor erzeugt auch ein überdimensioniertes CAD-Modell (8) der Form, um eine Normalschrumpfung während eines Abgießschrittes des Herstellungsverfahrens zu kompensieren, was nachfolgend detaillierter beschrieben wird. Ein dreidimensionales Muster der überdimensionierten Form wird aus ihrem überdimensionierten CAD-Modell (8) mittels der SL-Maschine (9) hergestellt. Dann wird eine Gießform der Form durch die Investmentgußeinrichtung mittels des überdimensionierten dreidimensionalen Musters der Form erzeugt, und ein Abguß der überdimensionierten Form wird mittels der Gießform durch Gießtechniken hergestellt, die im Stand der Technik wohl bekannt sind.
Die Maße des überdimensionierten Abgusses werden durch das Laserabbildungssystem (4) gemessen und in eine CAD-Darstellung konvertiert, die bei (10) mit dem durch den CAD-Prozessor erzeugten Nenngrößen-CAD-Modell (7) der Form verglichen wird, um die Abweichung von diesem zu bestimmen. Die Abweichung oder der Fehler wird als ein Steuereingang für die Ablationseinrichtung (5) verwendet, um den überdimensionierten Abguß maschinell zu bearbeiten und Material von diesem zu entfernen, bis seine Maße denjenigen der gewünschten Größe entsprechen, wie sie durch das Referenz-CAD-Modell (7) wiedergegeben wird.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, daß das oben beschriebene System (1) und das oben beschriebene Verfahren die Herstellung von präzise gegossenen Formen ermöglichen, die durch die übliche Normalschrumpfung unbeeinflußt sind, die während des Abgießens solcher Formen auftritt.
Es ist häufig erwünscht, die gesamte oder einen Teil der Fläche einer Form zu strukturieren, wie etwa einer durch das oben beschriebene System und das oben beschriebene Verfahren hergestellten Form. Das System (1) kann zweckmäßig verwendet werden, um ein solches Ergebnis zu erzielen. Um dies zu erreichen, sieht das System vor, daß der CAD-Prozessor (nicht gezeigt) ein Referenz-CAD-Modell (11) einer gewünschten Struktur erzeugt, die auf die Fläche des Abgusses angewendet werden soll. Bei der Verwendung wird das Abbildungssystem (4) auch eingesetzt, um einen gewünschten Teil der Fläche des zu strukturierenden Abgusses als eine Funktion der Koordinaten von jedem der drei Bezugspunkte an dem Abguß zu identifizieren. Der CAD-Prozessor wird dann verwendet, um die Tiefe und den Maßstab der auf die Fläche des Abgusses anzuwendenden Struktur zu berechnen und um den Laserkopf des Laserbearbeitungssystems (5) zu steuern, um den identifizierten Teil der Fläche des Abgusses in der Weise abzutragen, daß die gewünschte Struktur auf den Abguß angewendet wird, wie es erforderlich ist.
An dieser Ausführungsform sind zahlreiche Modifikationen möglich, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann das Abbildungssystem (4) ein kontaktbasiertes statt eines laserbasierten Abbildungssystems sein, und das Laserbearbeitungssystem, das zur Größenverringerung des überdimensionierten Abgusses verwendet wird, kann ein dreidimensionales Laserbearbeitungssystem sein, während dasjenige, das zur Strukturierung des Nenngrößen-Abgusses verwendet wird, ein zweidimensionales statt eines dreidimensionalen Laserbearbeitungssystems sein kann. Ferner kann die Größenverringerung des überdimensionierten Abgusses durch konventionelle maschinelle Bearbeitung oder durch Funkenerosion anstatt durch Laserablation erreicht werden. Ferner kann der überdimensionierte Abguß in der Weise hergestellt werden, daß er einen oder mehrere integrale Wege durch diesen aufweist, wobei jeder Weg eine hohle Rückseite und ein Leitelement aufweist, um eine Strömung von Kühlmittel dadurch zu leiten. Wenn solche Formen mit hohler Rückseite in einem Herstellungsverfahren verwendet werden, ermöglichen sie es, daß eine kürzere Zykluszeit der Form erreicht wird.
Daher schafft die Erfindung ein System und ein Verfahren zur Herstellung von Formen, die die Notwendigkeit zur präzisen Vorhersage und Kompensation einer Schrumpfung während des Gießens in Verfahren des Standes der Technik beseitigen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Form, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen eines Referenz-CAD-Modells (7) der Form mit gewünschten Maßen, Bereitstellen eines überdimensionierten CAD-Modells (8) der Form, Herstellen eines überdimensionierten Abgusses der Form mittels einer Gießform von ihr, und Abtragen des überdimensionierten Abgusses bis seine Maße im Wesentlichen dieselben wie diejenigen des Referenz-CAD-Modells sind, dadurch gekennzeichnet, daß in das überdimensionierte CAD-Modell eine Anzahl von Bezugspunkten aufgenommen wird, welche ausreichend sind, um ein dreidimensionales Koordinatensystem bezüglich des CAD-Modells zu definieren, daß der überdimensionierte Abguß abgebildet wird, um Koordinaten der Fläche des überdimensionierten Abgusses bezüglich eines durch die Bezugspunkte an dem Abguß definierten dreidimensionalen Koordinatensystems zu erhalten, daß die Koordinaten in ein abgemessenes CAD-Modell konvertiert werden, und daß die Maße des überdimensionierten Abgusses, wie sie bei dem abgemessenen CAD-Modell vorliegen, mit dem Referenz-CAD-Modell verglichen werden, um eine Abweichung von diesem zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der überdimensionierte Abguß der Form mittels der folgenden Schritte hergestellt wird: rasches Herstellen eines Prototyps eines dreidimensionalen Musters der Form auf der Basis ihres überdimensionierten CAD-Modells (8), Herstellen einer Gießform der Form mittels ihres dreidimensionalen Musters, und Abgießen der überdimensionierten Form von der Gießform.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der überdimensionierte Abguß mittels eines der Verfahren, umfassend Laserablation, maschinelle Bearbeitung oder Funkenerosion, abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der überdimensionierte Abguß mittels eines laserbasierten Bildgebungssystems (4) abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der überdimensionierte Abguß mittels eines kontaktbasierten Bildgebungssystems abgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welches darüber hinaus den Schritt des Strukturierens von wenigstens einem Teil der Fläche des Abgusses umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein Teil der Fläche des Abgusses strukturiert wird, indem: ein Referenz-CAD-Modell (11) der zum Anwenden auf die Fläche des Abgusses gewünschten Struktur bereitgestellt wird, der zu strukturierende Teil der Fläche des Abgusses als eine Funktion der Koordinaten von jedem der Bezugspunkte am Abguß identifiziert wird, und der identifizierte Teil der Fläche des Abgusses in Übereinstimmung mit dem Referenz-CAD-Modell der zum Anwenden auf die Fläche des Abgusses gewünschten Struktur abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Teil der Fläche des Abgusses mittels Laserablation abgetragen wird.
System zum Herstellen einer Form, wobei das System umfaßt: Mittel zum Erzeugen eines Referenz-CAD-Modells (7) einer herzustellenden Form mit gewünschten Maßen, Mittel zum Erzeugen eines überdimensionierten CAD-Modells (8) der Form, das eine Anzahl von Bezugspunkten enthält, welche ausreichend sind, um ein dreidimensionales Koordinatensystem bezüglich des CAD-Modells zu definieren, eine Herstellungseinrichtung (3), welche dazu ausgebildet ist, einen überdimensionierten Abguß der Form mittels einer Gießform von ihr herzustellen, und eine Ablationseinrichtung (5), welche dafür angepaßt ist, den überdimensionierten Abguß abzutragen, bis seine Maße im Wesentlichen dieselben wie diejenigen des Referenz-CAD-Modells sind, gekennzeichnet durch ein Bildgebungssystem (4), welches dafür angepaßt ist, Koordinaten der Fläche des überdimensionierten Abgusses bezüglich des durch die Bezugspunkte an dem Abguß definierten dreidimensionalen Koordinatensystems zu erhalten und die Koordinaten in ein abgemessenes CAD-Modell zu konvertieren, und Vergleichsmittel (10) zum Vergleichen der Maße des überdimensionierten Abgusses, wie sie bei dem abgemessenen CAD-Modell (7) vorhanden sind, mit dem Referenz-CAD-Modell, um eine Abweichung von diesem zu erfassen.
System nach Anspruch 9, bei dem die Herstellungseinrichtung (3) umfaßt: eine Einrichtung (2) zum raschen Herstellen eines Prototyps, welche dazu ausgebildet ist, ein dreidimensionales Muster der Form ausgehend von ihrem überdimensionierten CAD-Modell (8) herzustellen, und ein Herstellungsmittel (3) zum Herstellen einer Gießform der Form mittels ihres dreidimensionalen Musters und zum Abgießen der Form von ihrer Gießform.
System nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei dem die Ablationseinrichtung (5) eine aus der Gruppe, umfassend Laserablationseinrichtung, maschinelle Bearbeitungseinrichtung oder Funkenerosionseinrichtung, ist.
System nach Anspruch 11, bei dem das Bildgebungssystem (4) ein laserbasiertes Bildgebungssystem ist.
System nach Anspruch 11, bei dem das Bildgebungssystem (4) ein kontaktbasiertes Bildgebungssystem ist.
System nach Anspruch 9, welches ein Strukturierungsmittel zum Strukturieren von wenigstens einem Teil der Fläche des Abgusses umfaßt.
System nach Anspruch 14, bei dem das Strukturierungsmittel umfaßt: Mittel zum Erzeugen eines Referenz-CAD-Modells (11) einer gewünschten, auf die Fläche des Abgusses anzuwendenden Struktur, Identifikationsmittel zum Identifizieren des zu strukturierenden Teils der Fläche des Abgusses als eine Funktion der Koordinaten der Bezugspunkte an dem Abguß und eine Ablationseinrichtung (5), welche dafür angepaßt ist, den identifizierten Teil der Fläche des Abgusses in Übereinstimmung mit dem Referenz-CAD-Modell der zum Anwenden auf die Fläche des Abgusses gewünschten Struktur abzutragen.
System nach Anspruch 15, bei dem die Ablationseinrichtung (5) eine Laserbearbeitungseinrichtung ist.