DE10051893A1 - Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile, insbesondere Werkzeugeinsätze - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben, bei dem metallische Bauteile, insbesondere Werkzeugeinsätze, hergestellt werden. Ein in einem CAD System entworfenen Bauteil (6) wird zunächst einzelne Module (7, 8, 9) zerlegt und diese Module werden so hergestellt, dass zunächst ein Grundkörper (7a, 8a, 9a) hergestellt und in einer Lasersintersnlage angeordnet wird und dass auf dem Grundkörper (7a, 8a, 9a) ein Körper (7b, 8b, 9b), der sich aus der Differenz zwischen dem Grundkörper (7a, 8a, 9a) und der Modulendform (7, 8, 9) ergibt, sukzessiv aus einem Pulvermaterial durch Lasersinterverfahren aufgebaut wird. Nach Abschluß des Lasersinterprozesses entsteht ein die Endform aufweisendes Modul (7, 8, 9). Die so hergestellten Module (7, 8, 9) werden zu einem Bauteil (6) zusammengesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und die Verwendung dieser Bauteile.

Die Herstellung von Bauteilen mittels Rapid Prototy­ ping ermöglicht den direkten Aufbau eines Modells aus einem 3D-CAD-Datenmodell. Diese Verfahren werden meistens für die Verarbeitung von Kunststoffen ausge­ legt. Zur Herstellung metallischer Werkstücke ist das Verfahren des selektiven Lasersinterns entwickelt worden. Dabei wird ein Metallpulver schichtweise ge­ mäß einer gesteuerten Modellvorlage aufgetragen und lokal von einem Laserstrahl versintert und mit der vorhergehenden Schicht verbunden. Der fokussierte Strahl wird dazu von einer Scaneinheit spurweise über die zu belichtenden Bereiche geführt. Das Lasersin­ tern wird neben der Herstellung von Prototypenbautei­ len auch für die Herstellung von Werkzeugen für den Spritzguß und Druckguß (Rapid Tooling) eingesetzt. Die geringe Aufbaurate des im Verfahren des Lasersin­ terns hergestellten Bauteile führt dazu, dass groß dimensionierte Bauteile sich nicht wirtschaftlich fertigen lassen. Ferner ist dieses Verfahren auf Werkstücke mit geringem Volumen beschränkt. Nach der lokalen Erhitzung des Pulvers durch Absorption eines Teils der Laserstrahlung kühlt es wieder ab. Dabei tritt Volumenkontraktion auf, die zu Zugspannungen in der jeweiligen Schicht führt. Mit zunehmender Bau­ teilhöhe addieren sich diese Spannungen und das Werk­ stück verformt sich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver­ fahren anzugeben, das es ermöglicht auch großdimen­ sionierte Bauteile wirtschaftlich herzustellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Danach wird ein Bauteil so hergestellt, das zunächst das in einem CAD Systen entworfene Bauteil in einzel­ ne Module zerlegt wird und diese Module so herge­ stellt werden, dass zunächst ein Grundkörper herge­ stellt und in einer Lasersinteranlage angeordnet wird und dass auf einer oder mehreren Flächen des Grund­ körpers ein Körper, der sich aus der Differenz zwi­ schen dem Grundkörper und der Modulendform ergibt, sukzessiv aus einem Pulvermaterial durch Lasersinter­ verfahren aufgebaut wird, so, dass nach Abschluß des Lasersinterprozesses ein die Endform aufweisendes Mo­ dul entsteht und dass die so hergestellten Module zu einem Bauteil zusammengesetzt werden.

Vorteilhaft ist, wenn der Grundkörper aus Vollmateri­ al besteht.

Die nach diesem Verfahren hergestellten Module werden als Module für Werkzeugeinsätze verwendet, die in ein Fertigungswerkzeug eingesetzt werden. So herge­ stellte Fertigungswerkzeuge können insbesondere für den Kunststoffspritzguß, den Druckguß, das Warmkom­ paktieren, das Schmiedeverfahren und die Blechumfor­ mung eingesetzt werden. Dabei werden die Module, d. h. Grundkörper mit den auf deren einer oder mehreren Flächen durch Lasersintern generierten Körpern zu einem Werkzeugeinsatz montiert, d. h. miteinander ver­ bunden. Die Verbinung ist z. B. eine Schraubverbin­ dung. Die Module können auch zum Werkzeugeinsatz un­ ter gleichzeitigem Einsatz in ein Fertigungswerkzeug montiert werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1: Schematische Darstellung des Aufbauprozesses eines Moduls

Fig. 2: Querschnitt durch ein herzustellendes Bauteil

Fig. 3: Darstellung des Aufbauprozesses der Module für das Bauteil nach Fig. 2

Fig. 4 Darstellung eines modularen Werkzeugeinsatzes

Fig. 5 Modularer Werkzeugeinsatz im Fertigungswerkzeug

Zur Durchführung des Verfahrens werden konventionelle lasersinteranlagen eingesetzt. Diese weisen einen La­ ser, meistens einen CO₂ oder Nd:YAG Laser, eine opti­ sche Vorrichtung mit einer Fokussierlinse, einen PC gesteuerten Galvanometer Scanner zur Ablenkung des Laserstrahles, eine Bauplattform auf der die Laser­ strahlsinterteile erzeugt werden und eine Dosier- und Beschichtungseinheit, auf. Dabei ist der Ablauf des lasersinterverfahrens wie folgt: auf eine Arbeitsflä­ che wird eine dünne Pulverschicht aufgebracht und an­ schließend entsprechend der Schnittebene der Bauteil­ geometrie mit einem Laserstrahl belichtet. Sukzessiv wird Schicht für Schicht ein dreidimensionaler Körper aufgebaut. Dazu müssen die in einem CAD-System kon­ struierten Körper zunächst über eine Schnittstelle in das STL-Datenformat konvertiert werden. Die Körper werden hier durch triangulierte Oberflächen beschrie­ ben. Anschließend werden diese 3D-Daten in Schichten für jede Höhe des Bauteils zerlegt. Typische Schicht­ höhen sind 0,05 mm-0,2 mm. Im Bauprozeß wird zu­ nächst von einem Abstreifer eine dünne Lage Pulver über eine Plattform verteilt. Der fokussierte Laser­ strahl mit einem Durchmesser von 0,2-0,5 mm belichtet dann die Kontur des Körpers und anschließend mit einem Füllalgorithmus spurweise das Volumen des Bau teils. Durch Absorption der Laserstrahlung werden die Pulverpartikel lokal an- bzw. aufgeschmolzen und bil­ den je nach zugeführter Energie eine Struktur mit ei­ ner Porösität von maximal 40% bis hin zur vollstän­ digen Verdichtung. Durch die relativ hohen Scange­ schwindigkeiten im Vergleich zum Strahldurchmesser, ist die Dauer der lokalen Wärmezufuhr nur im Bereich von einigen Millisekunden. Der Wärmetransport inner­ halb der Schicht findet durch Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung statt. Die Eigenschaften hinsicht­ lich Wärmeübertragung sowohl des Pulvers als auch der Atmosphäre beeinflussen dabei die Ausbildung des Tem­ peraturprofils. Die minimale Wandstärke ist etwas größer als der Fokusdurchmesser, da durch Wärmelei­ tung auch die Bereiche in unmittelbarer Nähe des La­ serstrahls über die Aktivierungsgrenze hinaus erhitzt werden.

In Fig. 1 ist schematisch der Aufbauprozess eines La­ sersinterkörpers 1, 2 auf einem Grundkörper 3, 4 darge­ stellt. Die Grundkörper 3, 4 werden durch Fräsen in verschiedenen Größenabstufungen in Serie vorgefer­ tigt. Sie lassen sich auf diese Weise hochpräzise ko­ stengünstig herstellen, da nur eine geringes Zerspan­ volumen erforderlich ist. Der Konstrukteur wählt aus dem Sortiment der zur Verfügung stehenden Grundkör­ pern die geeignetesten Größen aus und paßt sie in die erforderliche CAD-Geometrie, die sich nach dem herzu­ stellenden Werkzeug richtet, ein. Durch Subtraktion der Geometrie des Grundkörpers 3, 4 von der Geometrie des fertigen Moduls wird die durch Lasersintern auf­ zubringende Struktur 1, 2 ermittelt. Die Daten werden fertigungstechnisch aufbereitet und anschließend die Grundkörper 3, 4 auf der Bauplattform 5 der Laserin­ teranlage plaziert. Der Bauprozeß wird gestartet und die die spätere Modulkontur ergebende Geometrie durch Lasersintern erzeugt.

In Fig. 2 ist ein Bauteil/Werkzeug 6 dargestellt, wel­ ches mittels der hergestellten Module hergestellt werden soll.

Dazu werden, wie in Fig. 3 dargestellt, drei Module 7, 8, 9, hergestellt. Jedes Modul 7, 8, 9, besteht aus einem Grundkörper 7a, 8a, 9a und einem auf diesem im Lasersinterprozess aufgebauten Körper 7b, 8b, 9b. Die Körper 7b, 8b, 9b ergeben sich, wie bereits oben be­ schrieben, aus der Differenz zwischen der Modulkontur 7, 8, 9 und dem Grundkörper 7a, 8a, 9a. Die Oberflächen der so hergestellten Module 7, 8, 9 werden nach dem La­ sersinterprozess gefinisht. Die Module 7, 8, 9 werden vorzugsweise für ein Kunststoff Druck- oder Spritz­ gußwerkzeugeinsatz 10 eingesetzt, wie in Fig. 4 darge­ stellt. Dazu werden vorher beim CNC-Fräsen in den Grundkörpern 7a, 8a, 9a Innengewinde vorgesehen, und die Grundkörper 7a, 8a, 9a miteinander durch eine Schraubverbindung 12 verbunden. Dadurch entsteht ein Werkzeugeinsatz 10, welches anschließend in ein Fer­ tigungswerkzeug 11 eingesetzt wird. Vorzugsweise ist eine Schraubverbindung 13 vorgesehen. Die Fugen an den Nahtstellen der Module werden mit einer Dichtma­ sse geschlossen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile, insbesondere Werkzeugeinsätze, dadurch gekennzeich­ net, dass das in einem CAD System entworfene Bau­ teil (6) zunächst in einzelne Module (7, 8, 9) zerlegt wird und diese Module so hergestellt werden, dass zu­ nächst ein Grundkörper (7a, 8a, 9a) hergestellt und in einer Lasersinteranlage angeordnet wird und dass auf dem Grundkörper (7a, 8a, 9a) ein Körper (7b, 8b, 9b), der sich aus der Differenz zwischen dem Grundkörper (7a, 8a, 9a) und der Modulendform (7, 8, 9) ergibt, suk­ zessiv aus einem Pulvermaterial durch Lasersinterver­ fahren aufgebaut wird, so, dass nach Abschluß des La­ sersinterprozesses ein die Endform aufweisendes Modul (7, 8, 9) entsteht und dass die so hergestellten Module (7, 8, 9) zu einem Bauteil (6) zusammengesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (6) als Werkzeugeinsatz (10) in ein Fertigungswerkzeug (11) eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Grundkörper (7a, 8a, 9a) aus Vollma­ terial besteht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Module (7, 8, 9) zu­ nächst miteinander zu einem Werkzeugeinsatz (10) und dann mit einem Fertigungswerkzeug (11) oder gleich­ zeitig miteinander und mit einem Fertigungswerkzeug (11), verbunden werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine Schraubverbindung (12, 13) ist.