DE10065594C2

DE10065594C2 - Process for the production of 3-dimensional sintered workpieces

Info

Publication number: DE10065594C2
Application number: DE10065594A
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: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: DE10065594A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von 3-dimensionalen Sinter- Werkstücken aus metallischen Werkstoffen.The invention relates to a method for producing 3-dimensional sintered Workpieces made of metallic materials.

Sinter-Werkstücke 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 made of metallic materials are used particularly in the area of tool or mold making. Such workpieces are either made to measure from the outset and then only superficially slightly reworked. However, it is also common for such workpieces First of all to produce excessively and then by cutting superficial Machining to set the exact workpiece dimension.

Die Eignung von metallischen Sinter-Werkstücken für den Werkzeug- und Formenbau ist allerdings aufgrund der typischen physikalischen Eigenschaften des Sinterprozesses nur eingeschränkt möglich.The suitability of metallic sintered workpieces for the tool and However, mold making is due to the typical physical properties of the sintering process is 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 exists with injection molds and injection or casting molds Need to adequately temper these tools or molds in the company. 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.

Aus DE 696 05 509 T2 ist ein Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Sinter-Werkstücken bekannt, bei welchem die formgebende Herstellung eines Werkstückrohlings aus Sintermaterial erfolgt und das Sintermaterial durch Einwirkung von Laserstrahlung verfestigt wird. Anschließend an die formgebende Herstellung erfolgt ein Aufschmelzen der Oberfläche des Werkstückes derart, daß eine im Wesentlichen gasdichte Oberflächenschicht ausgebildet wird.DE 696 05 509 T2 describes a method for producing three-dimensional Sintered workpieces are known, in which the shaping production of a Workpiece blanks made of sintered material and through the sintered material Exposure to laser radiation is solidified. Subsequent to the shaping Production is carried out by melting the surface of the workpiece in such a way that an essentially gas-tight surface layer is formed.

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 aufeinandergelötet. 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 rather 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 to 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 2-7.These tasks are basically solved by the combination of features of method claim 1 , advantageous further developments result from subclaims 2-7.

Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein mehrstufiger 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 multi-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 manner 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.

Die nach dem Verfahren gewonnenen Werkstücke können erfindungsgemäß oberflächlich dadurch mit höherer Dichte hergestellt werden, daß entweder die Außenkonturen beim schichtweisen Bauvorgang zunächst vollständig aufgeschmolzen werden und dann die Werstückoberflächen nachfolgend mit einer Laserstrahlung zusätzlich verdichtet werden. Auch die Oberflächen von Kühlkanälen, die das fertige Werkstück durchsetzen werden, werden beim schichtweisen Bauvorgang vollständig aufgeschmolzen, 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. The workpieces obtained by the method can be inventively superficially be produced with higher density that either the The outer contours of the layered construction process are initially complete are melted and then the workpiece surfaces with a Laser radiation can also be compressed. The surfaces of Cooling channels, which will penetrate the finished workpiece, are used in the Layered building process completely melted, layer by layer, whereby the surfaces of the cooling channels are also sealed gas-tight and are able to in the subsequent hot isostatic pressing process as Sealing jacket to serve.

Falls die Werkstücke nicht in jedem Oberflächen- oder Kühlkanalbereich dichte Flächen haben, ist es in Weiterbildung des Verfahrens auch möglich, bereichsweise Zusatzmantelungen anzubringen, die ein Eindringen der Drücke in die poröse Innenstruktur der Werkstücke beim heißisostatischen Preßvorgang verhindern.If the workpieces are not tight in every surface or cooling channel area Have areas, it is also possible in a further development of the process add additional sheathing in certain areas to prevent the pressures from penetrating the porous inner structure of the workpieces during the hot isostatic pressing process prevent.

Vorteilhafterweise 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 is advantageously Layers selected larger in the area of the workpiece surfaces than in the area the cooling channel surfaces. In the area of the cooling channel surfaces, the Usually, the thicker layers in the area of not be reworked Surfaces, on the other hand, allow deeper surface processing of the workpieces.

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 the 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 gesintere 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 5, 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 workpiece blank 2 is produced from sintered material. 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 different 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, eg. 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. The metal-sintered workpiece is then compacted by a hot isostatic pressing process (HIP), the surface 5 , 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 compacted layer is greater in the area of the workpiece surfaces 5 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 each 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 metal powder sintered material, the sintered material being solidified by the action of radiation, in particular laser radiation, using a melting process;
b) during the sintering process, the contours of the outer and inner surfaces of the workpiece being formed are melted completely in such a way that an essentially gas-tight surface layer is formed in these areas, and / or the workpiece surfaces formed are subsequently compacted by radiation,
c) then compacting the metal-sintered workpieces by a hot isostatic pressing process (HIP), the inner and outer surfaces 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 the preceding claim, characterized in that the workpiece surfaces after the hot isostatic pressing process machined to be revised.

3. 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.

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

5. 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.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the melted or compressed layer in the area of outer workpiece surfaces is larger than in the area of the inner Cooling channel surfaces.

7. 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.