DE10007962C1

DE10007962C1 - Verfahren zur Herstellung von Spritzguß- oder Druckgußformen

Info

Publication number: DE10007962C1
Application number: DE10007962A
Authority: DE
Inventors: Frank Carsten Herzog; Kerstin Katharina Herzog
Original assignee: Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH
Current assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2001-07-26
Anticipated expiration: 2020-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Spritzguß- oder Druckgußformen sieht vor, ein Ausgangskörper durch ein Metallsinterverfahren in üblicher Weise herzustellen, der Ausgangskörper hat nach dem Lasersinterverfahren auf seinen Oberflächen Rauhigkeitsgrade, die von der Wahl des Sintermaterials abhängig sind. DOLLAR A Um die Oberflächen zu glätten, ist eine thermische Nachbehandlung der Formkörperoberflächen vorgesehen, wobei Strahlungsenergie mit einer Energiedichte auf die zu glättenden Formkörperoberflächen einwirkt, die ausreichend ist, die höherschmelzende Metallkomponente des Lasersintermaterials oberflächlich zu verflüssigen. Dadurch bildet sich eine Oberflächenschicht aus die nach erneuter Erstarrung der Metallkomponente mit dem höheren Schmelzpunkt einen Rauhigkeitsgrad hat, der geringer ist als der Rauhigkeitsgrad unmittelbar nach Durchführung des Sinterverfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Spritzguß- oder Druckgußfor men mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Es ist bekannt, solche Spritzguß- oder Druckgußformen oder Losteile davon durch ein Metallsinterverfahren in einer Sintermaschine herzustellen. Dabei wird ein Ausgangs körper hergestellt, wobei eine Metallegierung mit einer ersten Metallkomponente mit einem ersten Schmelzpunkt und mindestens eine weitere Metallkomponente mit einem vergleichsweise niedrigeren Schmelzpunkt zur Verwendung einer Bindephase zum Ein satz kommen. Beim oder nach dem Sintervorgang bildet sich eine Formkörperoberflä che aus, die einen gewissen Rauhigkeitsgrad hat, was für Metallsinterverfahren üblich und auch nicht zu vermeiden ist.

Fundstellen zum Stand der Technik sind:

- Wilhelm Miners: "Direktes Selektives Laser Sintern einkomponentiger metallischer Werkstoffe", Shaker Verlag (Diss. RWTH Aachen), Kap. 3.1 Stand der Technik Di rektes Selektives Laser Sintern metallischer Bauteile, Seite 10-13
- Andreas Gebhardt: "Rapid Prototyping", Carl Hanser Verlag, Kap. 3.2.2 Selektives Laser Sintern, Seite 128
- E. Beyer, K. Wissenbach: "Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung", Springer Verlag, Kap. 6.2.3.1 Selektives Lasersintern metallischer Bauteile, Seite 287-289.

Es wurde insbesondere dann, wenn solche Formkörper als Spritzguß- oder Druckguß formen verwendet werden sollen, versucht, die Oberflächen nach dem eigentlichen Sintervorgang mechanisch zu bearbeiten, d. h. zu glätten oder mechanisch zu polieren. Aufgrund der relativ geringen Dichte des gesinterten Materials führt dies aber nur zu ei nem mäßigen Erfolg.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Spritzguß oder Druckgußformen anzugeben, mit welchem gesinterte Ausgangskörper hinsichtlich ihrer Oberfläche geglättet und insbesondere mechanisch nacharbeitbar ausgebildet wer den.

Diese Aufgabe wird durch ein artgemäßes Verfahren mit den kennzeichnenden Merk malen des Anspruches 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-17.

Als Kern der Erfindung wird es angesehen, eine thermische Nachbehandlung der Form körperoberfläche oder zumindest von Abschnitten davon vorzusehen, wobei Strah lungsenergie mit einer Energiedichte auf die Formkörperoberfläche oder Abschnitte da von einwirkt, die ausreichend ist, die höherschmelzende Metallkomponente oberfläch lich zu verflüssigen. Sodann wird dafür Sorge getragen, daß sich bei der Erstarrung der Metallkomponenten eine Oberflächenschicht ausbildet, die im ausgehärteten Zustand einen Rauhigkeitsgrad hat, der deutlich geringer ist als der Rauhigkeitsgrad desselben Oberflächenabschnittes unmittelbar nach Durchführung des Sinterverfahrens. Vorteil hafterweise erfolgt die thermische Nachbehandlung durch Laserbestrahlung, mit ande ren Worten wird über die Oberfläche des gesinterten Formkörpers noch einmal rasternd ein Laserstrahl gezogen, der oberflächlich den Formkörper zum Schmelzen bringt.

Dabei bildet sich eine Schicht aus, in der die Komponenten der Metallegierung weitge hend homogen verteilt sind. Dies ist eine zweite Schicht. Diese wird von der relativ dünnen Oberflächenschicht überdeckt. Die Schichtdicke der zweiten Schicht entspricht in etwa der Wirktiefe der thermischen Nachbehandlung, die im Bereich bis zu 2 mm und tiefer liegen kann. Mindestens wird aber eine Wirktiefe von 10 µm angestrebt.

Die Oberflächenschicht mit der sehr geringen Dicke von lediglich einigen µ ist eine re lativ harte Schicht, aber auch die darunterliegende Nickel-Eisen-Kupferschicht läßt sich über ihre gesamte Schichtdicke relativ gut nachbearbeiten, so daß hochpräzise und glatte Formkörper gebildet werden können.

Vorteilhafterweise wird die Energiedichte der für den Lasersinterprozeß eingesetzten Laserstrahlung geringer gewählt, als die Energiedichte der für die thermische Nachbe handlung eingesetzten Strahlung. Es liegt im Rahmen der Erfindung, für den Sinterpro zeß und die Lasernachbehandlung entweder zwei unterschiedliche Laser heranzuziehen, oder auch nur einen Laser, dessen Energie entsprechend den Anfordernissen der beiden unterschiedlichen Prozesse regelbar ist. Letzteres hätte den Vorteil, daß die Bearbeitung des Werkstückes in ein und derselben Maschine sowohl hinsichtlich des Lasersinterpro zesses als auch hinsichtlich des Nachbearbeitungsprozesseserfolgen kann.

Bedeutungsvoll ist, die Bestrahlungsenergie auf der behandelten Oberfläche bei der thermischen Nachbehandlung im wesentlichen konstant zu halten. Dies kann durch eine Apparatur geschehen, die es ermöglicht, den Laserfocus stetig auf der Bauteiloberfläche bzw. in einem definierten Bereich darunter oder darüber zu führen. Denkbar wäre neben dem Fünfachsverfahren beispielsweise, die Laserstrahlung des thermischen Nachbe handlungslasers durch ein Glasfaserkabel an einen Roboterarm zu führen, der pro grammgesteuert den Focus des Laserstrahls auch über komplexe Strukturen führen kann. Dadurch wird es möglich, auch kompliziertere Werkstücke oder schwer zugängli che Innenbereiche von Werkstücken mit dem Nachbehandlungsverfahren zu erfassen.

Dies kann durch die Anwendung eines Fünfachsverfahrens für das thermisch nachbe handelnde Abscannen von 3D-Oberflächen des Formkörpers geschehen, wobei darauf zu achten ist, daß der Focus des Lasers immer exakt auf der Oberfläche geführt wird oder in einem definierten Abstand darüber oder darunter.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 die Herstellung eines Spritzguß- oder Druckgußformkörpers in einem Lasersinterprozeß;

Fig. 2 den hergestellten Formkörper bei der Nachbearbeitung;

Fig. 3 eine Oberfläche des beim Lasersinterprozeß hergestellten Formkör pers nach der Entnahme aus der Prozeßkammer bei 750-facher Ver größerung;

Fig. 4 Aufnahme einer entsprechenden Oberfläche mit 750-facher Vergröße rung nach Abschluß der thermischen Nachbehandlung;

Fig. 5 Ein Schliffbild einer thermisch nachbehandelten Oberfläche.

Zunächst wird auf Zeichnungsfiguren 1 und 2 Bezug genommen.

In Fig. 1 ist schematisch eine Prozeßkammer 1 einer Laser-Sintermaschine 2 dargestellt. Im oberen Bereich 3 der Prozeßkammer 1 ist ein Sinterlaser 4 angeordnet, dessen Strahlausgang 5 in eine Ablenkvorrichtung 6 weist, deren Strahlausgang 7 in den unte ren Bereich 8 der Prozeßkammer 1 führt. Dort ist pulverförmiges Sintermaterial 9 ange ordnet, an dessen Oberfläche 10 der auftreffende Laserstrahl den Sinterprozeß herbei führt, so daß im Sintermaterial 9 der Ausgangskörper 11 entsteht.

Wird der Ausgangskörper 11 aus der Prozeßkammer 1 entnommen, dann weist gemäß einer elektronenmikroskopischen Untersuchung eine Seitenfläche 12 beispielsweise ei nen üblichen Rauhigkeitswert von R_Z = 65 µm auf, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

Der übliche Rauhigkeitswert von R_Z = 65 µm gemäß Fig. 3 gilt insbesondere für Seitenflä chen eines Werkstückes, die dem Sinterlaserstrahl nicht zugewandt sind.

Bauteiloberflächen, die dem Laserstrahl zugewandt sind und damit horizontal liegen, können einen Rauhigkeitswert von R_Z< = 100 µm aufweisen.

Nunmehr wird der Ausgangskörper 11 in eine weitere Bearbeitungsstation verbracht, in der ein Nachbehandlungslaser 13 vorgesehen ist, dessen Strahl 14 ebenfalls durch eine Ablenkvorrichtung 15 geführt wird. Diese Ablenkvorrichtung sorgt für ein Abscannen eines Flächenbereiches 16 des Ausgangsformkörpers derart, daß eine Glättung des Flä chenabschnittes erreicht wird. Dies geschieht dadurch, daß die Strahlungsenergie des Nachbehandlungslasers 13 eine Energiedichte hat, die ausreichend ist, die höherschmel zende Metallkomponente oberflächlich zu verflüssigen. Danach bildet sich eine Ober flächenschicht aus, die einen Rauhigkeitsgrad hat, der weit geringer ist als der Rauhig keitsgrad der entsprechenden Oberfläche unmittelbar nach Durchführung des Sinterver fahrens.

Das Ergebnis der Nachbehandlung geht aus Fig. 4 hervor. Die mittlere Rauhigkeit be trägt bei dem vermessenen Ausführungsbeispiel R_Z = 16 µm; durch mechanische Nachbe handlung und Politur kann die Rauhigkeit auf Werte unter 5 µm abgesenkt werden.

In Fig. 5 ist noch ein elektronenmikroskopisches Schliffbild eines Formkörpers darge stellt, von dem eine (im Schliffbildbereich liegende) Fläche der erfindungsgemäßen Nachbehandlung unterzogen worden ist.

Das Schliffbild gemäß Fig. 5 weist eine dünne Oberflächenschicht aus Eisen aus, unter der dann eine zweite Schicht liegt, die die Wirktiefe von etwa 2 mm der thermischen Nachbehandlung hat. Die zweite Schicht besteht im wesentlichen aus den Komponenten Nickel, Eisen, Kupfer und Phosphor.

Bei entsprechender Ausbildung der Prozeßkammer kann es möglich sein, sowohl den Sinterlaser 4 als auch den Nachbehandlungslaser 13 unter Umständen in einer Prozeß kammer anzuordnen, so daß das Werkstück zwischen den Behandlungsschritten nicht notwendigerweise aus der Prozeßkammer entnommen werden muß.

Es ist denkbar, das Sintermaterial nach dem eigentlichen Sintervorgang aus der Kammer auszutragen und/oder die Kammer durch Ausblasen zu säubern. Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, nicht nur einen Nachbehandlungslaser zu verwenden, sondern eine Mehrzahl, die den Formkörper auch von der Seite oder von unten bearbeiten kön nen.

Ebenso liegt es im Bereich der Erfindung, für den Sintervorgang und den Nachbehand lungsvorgang nur einen Laser zu verwenden, falls dieser mit geeigneten Energiedichten betreibbar ist, wie dies vorstehend bereits erwähnt ist.

Mit Erfolg sind als Sinterlaser ein CO2-Laser mit einer Leistung von 200 Watt und ei ner Wellenlänge von 10600 nm sowie für die thermische Oberflächenbearbeitung ein ND:YAG Laser mit einer Laserleistung von 100 Watt und einer Wellenlänge von 1064 nm verwendet worden. Es liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, auch an dere Laser zu verwenden.

BEZUGSZEICHEN

1

Prozeßkammer

2

Laser-Sintermaschine

3

oberer Bereich

4

Sinterlaser

5

Strahlausgang

6

Ablenkvorrichtung

7

Strahlausgang

8

unterer Bereich

9

Sintermaterial

10

Oberfläche

11

Ausgangskörper

12

Seitenfläche

13

Nachbehandlungslaser

14

Strahl

15

Ablenkvorrichtung

16

Flächenbereich

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Spritzguß- oder Druckgußformen mit folgenden Merkmalen:

- Herstellung eines Ausgangs-Körpers durch ein Metallsinterverfahren, wobei eine Metallegierung mit einer ersten Metallkomponente mit einem ersten Schmelzpunkt und mindestens einer weiteren Metallkomponente mit einem vergleichsweise niedrigeren Schmelzpunkt zur Bildung einer Bindephase verwendet werden;
- Ausbildung einer Formkörperoberfläche mit einem ersten Rauhigkeitsgrad;

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- thermische Nachbehandlung der Formkörperoberfläche, wobei Strahlungse nergie mit einer Energiedichte auf die Formkörperoberfläche oder Ab schnitte davon einwirkt, die ausreichend ist, die höher schmelzende Metall komponente oberflächlich zu verflüssigen;
- Ausbildung einer Oberflächenschicht nach erneuter Erstarrung der Metall komponente mit dem höheren Schmelzpunkt, wobei die ausgehärtete Ober flächenschicht einen Rauhigkeitsgrad hat, der geringer ist als der Rauhig keitsgrad der Oberfläche unmittelbar nach Durchführung des Sinterverfah rens.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich unter der Oberflächenschicht eine weitere Schicht ausbildet, in der die Kom ponenten der Metallegierung weitgehend homogen verteilt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der zweiten Schicht der Wirktiefe der thermischen Nachbehand lung entspricht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestwirktiefe der thermischen Nachbehandlung im Bereich von etwa 10 µm liegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Nachbehandlung durch Laserbestrahlung erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der thermischen Nachbehandlung der Laserstrahl im Dauerstrichverfahren ra sternd über die zu glättenden Flächen geführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zunächst ausgebildete Oberflächenschicht gegenüber der darunterliegenden zweiten Schicht eine höhere mechanische Festigkeit aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Oberflächenschicht im Bereich von 10 µm liegt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterverfahren in einer Metall-Lasersintermaschine durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedichte der für den Lasersinterprozeß eingesetzten Laserstrahlung ge ringer ist als die Energiedichte der für die thermische Nachbehandlung eingesetz ten Laserstrahlung.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsenergie auf der behandelten Oberfläche bei der thermischen Nachbehandlung abhängig von Oberflächenstrukturen regelbar ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Focus des Laserstrahls für das thermische nachbehandelnde abscannen kon stant auf der Freiformfläche bzw. in einem definierten Bereich darunter oder dar über geführt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines CO2-Lasers für den Lasersinterprozeß und eines ND:YAG-Lasers für die thermische Nachbehandlung.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch nachbehandelten und geglätteten Oberflächen mechanisch nachbe arbeitet werden.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch nachbehandelten Flächen die von Spritzmaterial beaufschlagten in neren Flächen der Spritzguß- oder Druckgußformen sind.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das für den Sinterprozeß verwendete Metallpulver Stahlteilchen und Kupferteil chen umfaßt.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Oberflächenschicht eine Nickel-Eisen-Kupferschicht ist oder im we sentlichen aus diesen Komponenten besteht.