DE10065594A1

DE10065594A1 - Production of a three-dimensional sintered workpiece comprises molding a workpiece green body from sintered material, melting the surface of the workpiece using stereolithography

Info

Publication number: DE10065594A1
Application number: DE2000165594
Authority: DE
Inventors: Frank Herzog; Kerstin Herzog; Siegfried Hoffmann
Original assignee: Concept Laser GmbH
Current assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: DE10065594C2

Abstract

Production of a three-dimensional sintered workpiece comprises: molding a workpiece green body from sintered material; melting the surface of the workpiece using stereolithography so that a gas-tight surface layer is produced; and sealing the sintered workpiece using hot isostatic pressing, in which the surface layer acts as a sealing jacket.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von 3-dimensionalen Sinter- Werkstücken.The invention relates to a method for producing 3-dimensional sintered Workpieces.

Sinter-Werkstücke, insbesondere solche aus metallischen Werkstoffen, werden insbesondere im Bereich des Werkzeug- oder Formenbaus eingesetzt. Derartige Werkstücke werden entweder von vorne herein auf Maß hergestellt und dann nur noch oberflächlich geringfügig nachbearbeitet. Es ist aber auch üblich, derartige Werkstücke zunächst übermäßig herzustellen und dann durch spanabhebende oberflächliche Bearbeitung das exakte Werkstückmaß einzustellen.Sintered workpieces, especially those made of metallic materials used especially in the field of tool or mold making. such Workpieces are either made to measure from the outset and then only still slightly reworked on the surface. But it is also common to use such Workpieces are initially produced excessively and then by machining superficial machining to set the exact workpiece size.

Die Eignung von insbesondere metallischen Sinter-Werkstücken für den Werkzeug- und Formenbau ist allerdings aufgrund der typischen physikalischen Eigenschaften des Sinterprozesses, insbesondere des Stereolitographieverfahrens nur eingeschränkt möglich.The suitability of metallic sintered workpieces in particular for the Tool and mold making is, however, due to the typical physical Properties of the sintering process, in particular the stereolithography process only possible to a limited extent.

Bei Spritzwerkzeugen und Spritz- oder Gießformen besteht außerdem das Bedürfnis, diese Werkzeuge oder Formen im Betrieb ausreichend zu temperieren. Insbesondere in der Kunststoffspritztechnologie besteht ein ständiger Konflikt zwischen den Festigkeitseigenschaften der im Werkzeug integrierten Einsätze und der Realisierung einer optimalen Temperierung. Die Temperierung in den genannten Werkzeugen und Formen wird in der Regel durch Kühlkanäle eingestellt. Kühlkanäle können einerseits durch Bohren eingebracht werden, was aber bedeutet, daß eine räumliche Anpassung der Kühlkanäle an die Werkstückform und insbesondere an die thermisch hochbelasteten Bereiche des Werkzeuges oder der Form nicht möglich ist. This also applies to injection molds and injection or casting molds Need to temper these tools or molds sufficiently in operation. There is a constant conflict, especially in plastic injection molding technology between the strength properties of the inserts integrated in the tool and the realization of an optimal temperature control. The tempering in the Tools and molds mentioned are usually through cooling channels set. Cooling channels can be introduced on the one hand by drilling what but means that a spatial adaptation of the cooling channels to the Workpiece shape and especially to the thermally highly stressed areas of the Tool or shape is not possible.

Bekannt ist auch ein Verfahren, bei dem ein Werkzeugeinsatz in Scheiben konstanter Dicke aufgeteilt wird, in die die Kühlbohrungen eingearbeitet werden. Anschließend werden die Einzelscheiben wieder aufeinander gelötet. Dadurch kann zwar eine verbesserte Anpassung der Verläufe der Kühlkanäle innerhalb des Werkstückes sichergestellt werden, nachteilig ist jedoch die lange Durchlaufzeit eines solchen Einsatzes, daneben die hohen Fertigungskosten und auch die Schwierigkeit, die Lage dieser Kühlkanäle bei einer späteren Bearbeitung des Einsatzes ausreichend genau nachzuvollziehen.A method is also known in which a tool insert is sliced constant thickness is divided into which the cooling holes are machined. The individual disks are then soldered together again. Thereby can be an improved adaptation of the courses of the cooling channels within the Workpiece are ensured, but the long lead time is disadvantageous of such use, besides the high manufacturing costs and also the Difficulty determining the location of these cooling channels during later processing of the Tracing the operation sufficiently accurately.

Als grundsätzliches Herstellungsverfahren für metallische Werkstücke ist auch das sogenannte heißisostatische Pressen (HIP) bekannt. Dabei wird ein nach bekannten Verfahren hergestellter Sinter-Körper in eine Mantelung gepackt, die sich eng an die Außenkontur anlegt. In diesem eingepackten Zustand wird das Werkstück hohem Druck und Temperaturen ausgesetzt, dabei "verbäckt" die zunächst eher poröse Innenstruktur des Werkstückes zu einem dichten und damit hoch belastbaren Verbundkörper.It is also a basic manufacturing process for metallic workpieces known as hot isostatic pressing (HIP). Doing so will known method manufactured sintered body packed in a jacket, the fits closely to the outer contour. In this packed state, it will Workpiece exposed to high pressure and temperatures, thereby "baked" the initially more porous inner structure of the workpiece to a dense and therefore highly resilient composite body.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem auf einfache Weise Sinter- oder Gußwerkzeuge mit erhöhter Festigkeit hergestellt werden können. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, durch welches auf einfache Weise in gesinterten Werkzeugen bzw. Werkzeugeinsätzen Kühlkanäle eingepaßt werden können, die den thermischen Anforderungen des Werkzeuges in verbesserter Weise angepaßt sind.The invention has for its object to provide a method with which in a simple way sintered or cast tools with increased strength can be produced. The invention is further based on the object specify a method by which in a simple manner in sintered Tools or tool inserts cooling channels can be fitted, the adapted to the thermal requirements of the tool in an improved manner are.

Diese Aufgaben werden grundsätzlich durch die Merkmalskombination des Verfahrensanspruches 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. These tasks are fundamentally determined by the combination of features of the Method claim 1 solved, advantageous developments result from the Dependent claims.

Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein zweistufiger Herstellungsprozeß, nämlich ein Sinterverfahren als erste Stufe und ein heißisostatischer Preßvorgang, d. h. ein Sintervorgang, durch den auch der Innenbereich der Werkstücke mit relativ hoher Strukturdichte verbacken wird. Der erste Herstellungsverfahrensschritt, nämlich das Sintern läßt die Fertigung von Werkstücken mit relativ komplexer Form und Struktur zu, der anschließende heißisostatische Preßvorgang verdichtet dann die so hergestellten Werkstückrohlinge in einer Weise, die eine spanabhebende Nachbehandlung, Nachformung, Schärfung und Härtung und dergleichen ermöglicht. Dadurch sind insbesondere Sinter-Werkstücke erstmalig auch im Bereich des Formenbaus und Werkzeugbaus als hoch belastbare Werkzeuge einsetzbar.The method according to the invention is based on a two-stage manufacturing process, namely a sintering process as the first stage and a hot isostatic pressing process, d. H. a sintering process, through which the inner area of the workpieces also relatively high structure density is baked. The first Manufacturing process step, namely the sintering lets the manufacture of Workpieces with a relatively complex shape and structure, the subsequent hot isostatic pressing process then compresses the thus produced Workpiece blanks in a way that requires machining post-treatment, Postforming, sharpening and hardening and the like allows. Thereby especially sintered workpieces for the first time in the field of mold making and Toolmaking can be used as highly resilient tools.

Insbesondere können auch stereolitographische Verfahren im ersten Fertigungsschritt eingesetzt werden, d. h. Verfahren, die sehr schnell einen komplexen Aufbau eines Werkstückes ermöglichen. Die daraus gewonnenen Werkstücke können oberflächlich dadurch mit höherer Dichte hergestellt werden, daß entweder die Außenkonturen beim schichtweisen Bauvorgang zunächst vollständig aufgeschmolzen werden und dann die Werkstückoberflächen nachfolgend mit einer Laserstrahlung zusätzlich verdichtet werden. Auch die Oberflächen von Kühlkanälen, die das fertige Werkstück durchsetzen werden, lassen sich beim schichtweisen Bauvorgang vollständig aufschmelzen, und zwar schichtweise, wodurch die Oberflächen der Kühlkanäle ebenfalls gasdicht abgedichtet werden und in der Lage sind, beim nachfolgenden heißisostatischen Preßvorgang als Dichtmantel zu dienen. Falls die Werkstücke nicht in jedem Oberflächen- oder Kühlkanalbereich dichte Flächen haben, ist es verfahrensgemäß auch möglich, bereichsweise Zusatzmantelungen anzubringen, die ein Eindringen der Drücke in die poröse Innenstruktur der Werkstücke beim heißisostatischen Preßvorgang verhindern. In particular, stereolitographic methods can also be used in the first Manufacturing step are used, d. H. Procedures that are very quick enable complex construction of a workpiece. The won from it Workpieces can be produced with a higher density on the surface, that either the outer contours in the layered construction process initially be completely melted and then the workpiece surfaces subsequently compressed with laser radiation. Also the Surfaces of cooling channels that will penetrate the finished workpiece, can be completely melted during the layer-by-layer construction process in layers, which also makes the surfaces of the cooling channels gas-tight be sealed and are capable of subsequent hot isostatic Press process to serve as a sealing jacket. If the workpieces are not in everyone Surface or cooling channel area have dense areas, it is according to the procedure it is also possible to apply additional sheathing in certain areas to prevent penetration the pressures in the porous internal structure of the workpieces in hot isostatic Prevent pressing.

Vorteilhaft wird die Dicke der aufgeschmolzenen oder verdichteten Schichten im Bereich der Werkstückoberflächen größer gewählt als im Bereich der Kühlkanaloberflächen. Im Bereich der Kühlkanaloberflächen muß in der Regel nicht nachgearbeitet werden, die dickeren Schichten im Bereich der Oberflächen erlauben hingegen eine auch tiefergehende Oberflächenbearbeitung der Werkstücke.The thickness of the melted or compressed layers in the Area of the workpiece surfaces chosen larger than in the area of Cooling channel surfaces. As a rule, in the area of the cooling duct surfaces not to be reworked, the thicker layers in the area of the surfaces allow, on the other hand, a deeper surface treatment of Workpieces.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in stark vereinfachter, schematischer Darstellung.The invention is based on an embodiment in the drawing explained. This shows a flow diagram of the method according to the invention in highly simplified, schematic representation.

Das bei dem Verfahren hergestellte 3-dimensionale Sinter-Werkstück ist mit Bezugsziffer 1 versehen. Gemäß Schritt a) des Flußdiagramms erfolgt die formgebende Herstellung eines Werkstückrohlings 2 aus Sintermaterial. Der Werkstückrohling 2 wird unter Einsatz eines Stereolithographieverfahrens hergestellt, bei welchem das Sintermaterial durch Einwirkung einer Laserstrahlung verfestigt wird. Das Sintermaterial kann sowohl in pulverartiger, pastöser oder flüssiger Form vorliegen. Der auf das Sintermaterial auftreffende Laserstrahl ist mit Bezugsziffer 3 versehen. Um einen Verzug des Sinter- Werkstückes 1 zu vermeiden, erfolgt vorteilhafterweise die Bestrahlung von verschiedenen Bauzonen 4 zeitlich nacheinander, die zweckmäßigerweise in stochastischer Verteilung über die bearbeitende Sintermaterialschicht verteilt sind. Die Bauzonen 4 sind mit Ziffern versehen, die die zeitliche Reihenfolge der Laserbestrahlung verdeutlichen. Daran anschließend in Schritt b) oder gleichzeitig während des Sinterprozesses in Schritt a) erfolgt ein Aufschmelzen der Oberflächen 5, 6 derart, daß eine im wesentlichen gasdichte Oberflächenschicht ausgebildet wird. Dazu werden die Außenkonturen des Werkstückrohlings 2 beim schichtweisen Bauvorgang zunächst vollständig aufgeschmolzen und/oder die gebildeten Werkstückoberflächen nachfolgend zusätzlich mit Laserstrahlung verdichtet. Wie aus den Zeichnungsfiguren hervorgeht, werden bei der Durchführung des stereolithographischen Sinterprozesses beim schichtweisen Bauvorgang auch die Oberflächen 6 von Kühlkanälen 7, die das fertige Werkstück, z. B. eine Spritzgießform, durchsetzen, vollständig aufgeschmolzen und damit abgedichtet. Das in den Kühlkanälen 7 befindliche lose Pulver bzw. nicht gesinterte Material wird nach dem Sintervorgang entfernt. Daran anschließend wird das metallgesinterte Werkstück durch einen heißisostatischen Preßvorgang (HIP) verdichtet, wobei die gemäß Schritt b) aufgeschmolzene und damit abgedichtete Oberfläche S. 6 des Werkstückrohlings 2 als Dichtmantel beim heißisostatischen Preßvorgang dient. Das heißisostatische Pressen erfolgt bei hohem Druck p, der durch die Pfeile verdeutlicht wird sowie bei hoher Temperatur T, was zur Verdichtung des gesamten Bauteiles führt. Das heißisostatische Pressen bewirkt eine Zunahme der gesamten Bauteildichte sowie eine damit verbundene Erhöhung der Festigkeitswerte, die das Bauteil beanspruchbarer machen. Außerdem werden die Kühlkanäle 7 an den Oberflächen 6 abgedichtet, so daß keine Leckage auftreten kann. Die Oberfläche 5 des gesamten Bauteils wird verdichtet, wobei eine Glättung dieser Oberflächen 5 möglich ist. Die Kühlkanalwände bleiben jedoch relativ rauh, was einer verbesserten Wärmeabfuhr dient.The 3-dimensional sintered workpiece produced by the method is provided with reference number 1 . According to step a) of the flow chart, the shaping production of a workpiece blank 2 from sintered material takes place. The workpiece blank 2 is produced using a stereolithography process in which the sintered material is solidified by the action of laser radiation. The sintered material can be in powder, paste or liquid form. The laser beam impinging on the sintered material is provided with reference number 3 . In order to avoid warping of the sintered workpiece 1 , the irradiation of various construction zones 4 is advantageously carried out successively, which are expediently distributed in a stochastic distribution over the processing sintered material layer. The construction zones 4 are provided with numbers which illustrate the chronological order of the laser irradiation. Subsequent to this in step b) or simultaneously during the sintering process in step a), the surfaces 5 , 6 are melted in such a way that an essentially gas-tight surface layer is formed. For this purpose, the outer contours of the workpiece blank 2 are first completely melted during the layer-by-layer construction process and / or the workpiece surfaces formed are subsequently additionally compacted with laser radiation. As can be seen from the drawing figures, when carrying out the stereolithographic sintering process in the layer-by-layer construction process, the surfaces 6 of cooling channels 7 , which the finished workpiece, e.g. B. an injection mold, enforce, completely melted and sealed. The loose powder or non-sintered material located in the cooling channels 7 is removed after the sintering process. Then the metal-sintered workpiece is compressed by a hot isostatic pressing process (HIP), the surface p. 6 of the workpiece blank 2 melted and thus sealed according to step b) serving as a sealing jacket during the hot isostatic pressing process. The hot isostatic pressing takes place at high pressure p, which is illustrated by the arrows, and at high temperature T, which leads to the compression of the entire component. The hot isostatic pressing causes an increase in the overall component density and an associated increase in the strength values, which make the component more resilient. In addition, the cooling channels 7 are sealed on the surfaces 6 , so that no leakage can occur. The surface 5 of the entire component is compressed, it being possible to smooth these surfaces 5 . However, the cooling channel walls remain relatively rough, which improves heat dissipation.

Nach dem heißisostatischen Preßvorgang werden die Werkstückoberflächen 5 gemäß Schritt d) spanabhebend zur Einstellung der Fertigmaße überarbeitet. Dazu ist es notwendig, daß der Werkstückrohling 2 im Übermaß hergestellt wurde. Dazu ist es zweckmäßig, daß die Dicke der aufgeschmolzenen oder verdichteten Schicht im Bereich der Werkstückoberflächen 5 größer ist als im Bereich der Kühlkanaloberflächen 7, was ebenfalls in den Zeichnungsfiguren schematisch angedeutet wurde. Vor dem heißisostatischen Preßvorgang können nicht vollständig in jedem Oberflächen- oder Kühlkanalbereich dichte Werkstücke durch eine bereichsweise angelegte Zusatzmantelung zusätzlich abgedichtet werden. After the hot isostatic pressing operation, the workpiece surfaces 5 are revised in accordance with step d) machined for adjusting the finished dimensions. For this it is necessary that the workpiece blank 2 has been produced in excess. For this purpose, it is expedient that the thickness of the melted or compressed layer in the area of the workpiece surfaces 5 is greater than in the area of the cooling channel surfaces 7 , which was also indicated schematically in the drawing figures. Before the hot isostatic pressing process, workpieces that are not completely sealed in every surface or cooling channel area can additionally be sealed by means of an additional jacket that is applied in some areas.

Das fertige Sinter-Werkstück 1 kann als Werkzeug, Werkzeugeinsatz, Spritz-, Gieß- oder Spritzgießform oder Formeinsatz verwendet werden. The finished sintered workpiece 1 can be used as a tool, tool insert, injection, casting or injection mold or mold insert.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Sinter-Werkstück
Sintering workpiece

22

Werkstückrohling
Workpiece blank

33

Laserstrahl
laser beam

44

Bauzone
construction zone

55

Oberfläche
surface

66

Oberfläche
surface

77

Kühlkanal
cooling channel

Claims

1. A process for producing 3-dimensional sintered workpieces with the following features:

a) shaping production of a workpiece blank from sintered material, the sintered material being solidified by the action of radiation, in particular laser radiation, using a stereolithography process;
b) subsequently or simultaneously during the sintering process when performing the stereolithography process, melting the surfaces of the workpiece in such a way that an essentially gas-tight surface layer is formed;
c) then compacting the metal-sintered workpieces by a hot isostatic pressing process (HIP), the surface of the workpieces melted and thus sealed according to step b) serving as a sealing jacket during the hot isostatic pressing process.

2. The method according to claim 1, characterized in that in a stereolithographic sintering process for producing the Workpiece blanks whose outer contours during the layered construction process are first completely melted and / or the formed Workpiece surfaces subsequently additionally compacted with laser radiation become.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that when performing a stereolithographic sintering process at layered construction process also the surfaces of cooling channels that the Assert the finished workpiece, completely melted and thus to be sealed in the subsequent hot isostatic pressing process to serve as a sealing jacket.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the workpiece surfaces after the hot isostatic pressing process be machined.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that not completely dense in every surface or cooling channel area Workpieces before the hot isostatic pressing process by a additional coverings created in certain areas are additionally sealed.

6. The method according to any one of the preceding claims, marked by the use of the workpiece as a tool or tool insert.

7. The method according to any one of the preceding claims, marked by the use of the workpiece as an injection, casting or injection mold or mold insert.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that tools, tool inserts, molds formed by the workpieces or mold inserts in the area of the surfaces penetrating them Cooling holes completely melted by exposure to radiation and / or compacted.

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the melted or compacted layer in the area of Workpiece surfaces is larger than in the area of the cooling channel surfaces.

10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the workpiece blanks are initially produced in excess and after Carrying out a hot isostatic pressing process (HIP) accessible surfaces subsequently machined to adjust the Finished dimensions are processed.