DE10051893C2 - Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile, insbesondere Werkzeugeinsätze - Google Patents
Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile, insbesondere WerkzeugeinsätzeInfo
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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 der 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 fuhrt. Mit zunehmender Bau
teilhöhe addieren sich diese Spannungen und das Werk
stuck verformt sich.
Die DE 196 49 865 C1 beschreibt ein derartiges Laser
sinterverfahren. Auch das hierin beschriebene Ver
fahren eignet sich nicht zur Herstellung großvolumi
ger Bauteile.
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 gelost. Die Unteransprüche
stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Danach wird ein Bauteil so hergestellt, dass zunächst
das in einem CAD System 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 Warmkompaktieren,
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 ei
nem Werkzeugeinsatz montiert, d. h. miteinander ver
bunden. Die Verbindung 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 Ar
beitsfläche wird eine dünne Pulverschicht aufgebracht
und anschließend entsprechend der Schnittebene der
Bauteilgeometrie 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 belich
tet 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
per 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 aufzubringende
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, welcher 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.
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