DE102004006441A1

DE102004006441A1 - Formteilwerkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102004006441A1
Application number: DE200410006441
Authority: DE
Inventors: Maik Dr. Ziegler; Kai Wacker
Original assignee: Wacker & Ziegler GmbH
Current assignee: Fagerdala Maschinenbau 99885 Ohrdruf De GmbH
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-12-29

Abstract

Der erfindungsgemäße Aufbau eines Formteilwerkzeuges zeichnet sich dadurch aus, dass die Temperierkanäle und/oder Wasserdampfzuleitungen und/oder Luftzuleitungen in die Werkzeugwandung eingebracht sind. Mit diesem Werkzeug sind kürzere Taktzeiten zu erzielen, da mittels der eingelassenen Kühl- und Temperierkanäle eine schnellere Erhitzung und Abkühlung der formteilnahen Werkzeugoberfläche gewährleistet wird und somit die Kühl- bzw. Stabilisierungszeit des Formteils verringert wird. Eine bevorzugte Variante zur Herstellung dieser Formteilwerkzeuge mit integrierten Medienkanälen wird mittels galvanischen Abscheideverfahren erreicht.

Description

Formteilwerkzeuge nach Stand der Technik werden innerhalb einer Dampfkammer eingesetzt und mit gesättigtem Wasserdampf durch Dampfdüsen durchdrungen. Der Dampf dient zum Verschweißen der Schaumpartikel untereinander, welche sich in der Werkzeugkavität befinden. Die Kühlung des Formteiles nach Stand der Technik erfolgt durch Aufsprühen von Kühlwasser auf die Werkzeugrückwand. Dabei werden erhebliche Mengen an Kühlwasser verbraucht. Die Kühlzeit beinhaltet die Zeit für die Abkühlung der kompletten Werkzeugwandung sowie auch der kompletten Dampfkammer. Während das Formteilwerkzeug nach Stand der Technik aus Aluminium besteht, ist die Dampfkammer überwiegend aus Stahl aufgebaut. Die gesamte Dampfkammer- und Werkzeugmasse liegt oftmals im Bereich von mehreren hundert Kilogramm und muss bei jedem Zyklus auf die Schweißtemperatur der Schaumpartikelmatrix aufgeheizt und anschließend wieder auf ca. 70° C heruntergekühlt werden. Es ist offensichtlich, dass der Energieverbrauch zur Aufheizung der Schaumpartikeloberfläche nur einen Bruchteil dessen beträgt, was zur Aufheizung der Dampfkammer und Werkzeugmasse, inklusive der Dampfzuführungsrohre, benötigt wird. Der Wirkungsgrad beträgt nach Stand der Technik somit weniger als ein Prozent. Dies ist weder ökologisch noch ökonomisch vertretbar. Bis zu 40% der Partikelschaumformteilkosten können auf Energiekosten zurückgehen.
DE 4236081 von Kurtz Eisenhammer beschreibt deshalb einen Werkzeugaufbau, der durch thermische Isolation die Aufheizung der Dampfkammer verhindert. Die sogenannten LTH (Low Temperature Horizontal)-Werkzeuge der Firma Kurtz werden in Maschinen nach Stand der Technik eingesetzt, wobei die Dampfkammer ihre eigentliche Funktion nicht mehr beinhaltet. Die Isolierung der Formteilwerkzeuge erfolgt mit einer polymeren Isolationsschicht, die jedoch aufgrund ihrer begrenzten Temperaturbeständigkeit lediglich zur Verarbeitung von EPS-Partikelschaum geeignet sind. Des weiteren besteht das Werkzeug nach DE 4236081 aus einem schlecht wärmeleitfähigen Material, das dem Formhohlraum zugewandt ist. Dies ist insbesondere äußerst unvorteilhaft, da durch mangelnden Wärmeeintrag die Oberflächenrauhigkeit des Partikelschaumformteiles extrem negativ ausgeprägt ist. Die Schaumpartikel werden an ihrer werkzeugseitigen Oberfläche nicht ausreichend plastisch verformt und es entsteht der sogenannte Orangenhauteffekt. Des weiteren ist die schnelle Abkühlung an der schlecht wärmeleitenden Oberfläche nicht gewährleistet und längere Zykluszeiten sind die Folge.
Weitere Patentschriften zu Formteilwerkzeugen sind EP 0720528 zur Herstellung von Formteiloberflächen, die nicht mehr die typischen Dampfdüsenabdrücke aufweisen. Dies wird durch Einlage eines Metallgitters erreicht. Der Energieverbrauch wird dabei nicht verändert.
Gebrauchsmuster DE 29604661 bezieht sich auf die Verriegelung von Werkzeugen zur Verschäumung von Partikelschaum und DE 29520368 beschreibt die aus der Spritzgusstechnik bekannte Technik des Kaskadenaufbaus von Werkzeugen, um bei gleicher Schließkraft mehr Formteile fertigen zu können.
DE 19744165 sowie DE 19500601 beschreiben jeweils Verfahren zur Herstellung von Formteilwerkzeugen mittels Rapid-Prototyping-Verfahren, wobei sowohl die eingesetzten Stereolithographieharze als auch Silikonharze weder thermisch noch mechanisch für den Einsatz der bei der Partikelschaumverarbeitung typischen Dampftemperaturen und Dampfdrücken ausreichen und deshalb keinen Einsatz in der Serienfertigung finden. Ebenso sind durch die hohen Wärmeleitwiderstände keine wirtschaftlich relevanten Zykluszeiten zu erzielen.
DE 10116952 beschreibt ein Werkzeug zur Herstellung von Tiefziehartikeln als auch Partikelschaumbauteilen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie aus porösen Elementen aufgebaut werden. Vorrangig werden hierzu kugelförmige Elemente, insbesondere Metall- oder Polymerpulver, gesintert. Nachteilig ist hierbei zu benennen, dass diese Werkzeuge sowohl eine geringere Dampfdurchlässigkeit, geringe mechanische Eigenstabilität als auch eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit zur Ausbringung der Wärmeenergie beinhalten.
Es war daher Aufgabe der Erfindung, einen Werkzeugaufbau bereitzustellen, der eine schnellstmögliche Werkzeugoberflächentemperierung bei gleichzeitig minimalem Energieaufwand ermöglicht.
Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkzeuges bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Einbringung von definierten Temperierkanälen und/oder Dampfleitungskanälen innerhalb der Werkzeugwandung selbst. Die Kühlkanäle als auch die Dampfzuführungskanäle können dabei an definierten Stellen verstärkt auftreten, um einen verstärkten Wärmeeintrag oder schnelleren Kühleffekt zu erzielen und damit das Formteil an kritischen Stellen stärker zu verschweißen oder schneller zu stabilisieren. Die Dampfzuführungskanäle ermöglichen den minimalen Einsatz von Wasserdampf, der hierbei nicht mehr über eine Dampfkammer zugeführt werden muss und somit die Notwendigkeit der Aufheizung einer metallenen Dampfkammer und der gesamten Werkzeugwandung entfällt.
Eine besonders bevorzugte Variante ist dabei die Ausgestaltung einer Werkzeugwandung, die die Kühl- und/oder Dampfzuführungskanäle in unmittelbarer Nähe der dem Partikelschaumformteil zugewandten Werkzeugoberfläche aufweist und/oder an der Werkzeugrückwand eine isolierende Schicht und/oder eine stabilisierende Schicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Die Temperierkanäle befinden sich im erfindungsgemäßen Aufbau zwischen 0,3 und 7 mm Abstand zur formteilseitigen Werkzeugoberfläche. Die Dampfzuführungskanäle befinden sich im Bereich zwischen 0,5 und 10 mm zur formteilseitigen Werkzeugoberfläche.
Eine besondere Variante zum Aufbau eines solchen Formteilwerkzeuges besteht in der Herstellung der Formteilwerkzeuge durch Galvanoformung. Insbesondere werden für den Werkzeugaufbau Kupfer und/oder Kupferlegierungen und/oder Nickel und/oder Nickellegierungen verwendet. Das Werkzeug kann dabei sowohl durch galvanisches Abscheiden von beispielsweise Kupfer auf einem Trägerwerkzeug erfolgen, als auch durch Abformen eines positiven Formteil-Modelles. Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante ist das Model ausschmelzbar oder mittels Löseverfahren entfernbar. Die Modelle können sowohl spanabhebend als auch mittels gängigen Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt werden. Gegebenenfalls sind die Schwundmaße des Formteiles bei der Fertigung mit einzubeziehen und den Modellmassen aufzuschlagen. Ebenso können die Temperierkanäle und/oder Dampfzuleitungen durch das galvanische Abformen ausgebildet, und im Nachhinein ausgeschmolzen oder ausgelöst werden. In einem besonders effizienten Verfahren werden nicht nur die Medienkanäle, sondern auch Modellelemente zur Ausbildung der Dampfdüsen an das Modell angeformt, die gegebenenfalls nach der Schichtabscheidung nachgearbeitet werden müssen.
Besonders vorteilhaft ist die direkte Einarbeitung von Verbindungselementen, beispielsweise Werkzeugaufnahmen als auch Anschlusselemente für die Medienzuleitungen oder die Injektoren, die im erfindungsgemäßen Verfahren mit ausreichender mechanischer Belastbarkeit eingebettet werden.
Es zeigen 1. den prinzipiellen Aufbau eines Formteilwerkzeuges nach der genannten Technik mit den Bestandteilen Formteilträger der Haubenseite (1), Formteilträger der Kernseite (2) sowie den Kühlwasserzu- und ableitungen (3) und der Dampzuführung (4).
In 2 wird der Verfahrensablauf beim Abformen eines Positivmodells dargestellt. Ein polymeres Positivmodell (23) wird inklusiv des Schrumpfzuschlages mittels Lasers intern direkt aus dem Datensatz für das herzustellende Schaumformteil, ggfs. Inklusive der Medienkanäle und Dampfauslassöffnungen mittels Rapid-Prototyping-Verfahren, hergestellt und mit einer leitfähigen Schicht (6) versehen. Im Galvanisierbad wird dann eine 3-5 mm starke Kupferschicht (8) auf dem Modell und den Temperierkanälen abgeschieden. Dampfdüsen (5), Anschlussadapter für die Temperierkanäle und Werkzeugaufnahmen werden bereits an das Modell angeformt und im Galvanisierungsbad durch Kupferauftrag angebunden. Bei komplexen Formen wird lediglich das Formteilmodell abgeformt und nachfolgend werden Wachsmodelle (7) für die Kühl- und Dampfleitungen auf die aufgalvanisierte Kupferschicht aufgebracht, an der Oberfläche aktiviert (6) und nachfolgend weitere Kupferschichten (9), auch auf den Wachsmodellen im Galvanisierungsbad, abgeschieden. Nach Ausschmelzen des Wachses bleiben Temperierkanäle (11, 14) und Dampfkanäle (13) zurück. Das Positivmodell wird entnommen und bildet den Formhohlraum (12). Die Form wird zur Abstützung mit polymeren, eventuell auch gefüllten Formmassen hinterfüllt, um die Anbindung an die Maschine zu ermöglichen.
In 3 wird der Verfahrensablauf beim Abscheiden auf einen Werkzeugträger beschrieben. In einen Werkzeugträger (15) aus Metall werden Temperierkanäle (16) und Dampfkanäle (17) eingefräst und dann mit Wachs (18) verschlossen. Dampfdüsenmodelle (19) aus Wachs werden aufgsetzt. Das überschüssige Wachs wird von den Oberflächen entfernt und aktiviert. Nach dem Aktivieren wird die gesamte Werkzeugoberfläche mittels Galvanisiertechnik mit Nickel als thermische Isolationsschicht und nachfolgend mit Kupfer (20) beschichtet. Es kann alternativ auch nur in einem Schritt Kupfer aufgebracht werden. Nach Abschluss der Beschichtung wird das Wachs mittels Ausschmelzverfahren entfernt. An Stelle von Wachs kann auch Aluminium als Grundkörper oder Kühlkanal verwendet werden, welches mit 15-20%iger Natronlauge bei Temperaturen von 60 bis 95°C ausgeätzt wird. Auch in diesem Ausführungsbeispiel können weitere Verbindungselemente, die eine ausreichende mechanische Festigkeit besitzen, vor allem aber Dampf- und Temperiermedienanschlüsse, eingalvanisiert werden. Mittels galvanischen Abscheideverfahren können problemlos Schichten zwischen 2 und 5 mm Kupfer aufgebracht werden. Die galvanisch aufgebrachte Kupferschicht (22) wird nachfolgend spanend oder funkenerosiv auf Endmaß bearbeitet und bildet den Formhohlraum.

Claims

Formteilwerkzeug zur Herstellung von Partikelschaumformteilen dadurch gekennzeichnet, dass Kühlleitungskanäle und/oder Dampfzuführungen in die Werkzeugwandung selbst eingebracht sind.
Formteilwerkzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfzuführungskanäle im Bereich von 0,5 bis 10 mm an der dem Formteil zugewandten Werkzeugoberfläche anliegen und/oder die Kühlleitungskanäle im Bereich von 0,3 bis 7 mm an der dem Formteil zugewandten Werkzeugoberfläche angelagert sind.
Formteilwerkzeug nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteilwerkzeug aus Kupfer und/oder Kupferlegierungen und/oder Nickel und/oder Nickellegierungen aufgebaut ist.
Formteilwerkzeug nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Medien wie die Temperiermedien und/oder Wasserdampf, an definierten Leitungszugängen dem Formteilwerkzeug zugeführt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Formteilwerkzeuges nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau des Formteilwerkzeuges mittels galvanotechnischem Verfahren erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Formteilwerkzeuges nach Anspruch 5 und folgenden dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfdüsenkanäle mittels ausschmelzbaren Modelleinsätzen im galvanischen Verfahren hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Formteilwerkzeuges nach Anspruch 5 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass mechanische Verbindungselemente und/oder Anschlüsse für die Medien im Galvanisierungsverfahren angebunden werden.
Verfahren zur Herstellung eines Formteilwerkzeuges nach Anspruch 5 und folgenden dadurch gekennzeichnet, dass die galvanotechnische Abscheidung auf einen Werkzeugträger, vorzugsweise aus Edelstahl, erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Formteilwerkzeuges nach vorgenannten Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass Kühl- und/oder Temperiermedienkanäle und/oder Dampfzuleitungen in den Werkzeugträger eingefräst werden und diese nachfolgend mit Wachs ausgegossen und im galvanischen Verfahren beschichtet werden und nachfolgend ausgeschmolzen werden.
Verfahren zur Herstellung eines Formteilwerkzeuges nach Anspruch 5 und folgenden dadurch gekennzeichnet, dass mittels galvanischen Verfahren ein Positivmodell, vorzugsweise hergestellt mittels Rapid-Prototyping-Verfahren, abgeformt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Formteilwerkzeuges nach vorgenannten Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass Kühl- und/oder Temperiermedienkanäle und/oder Dampfzuleitungen und/oder Dampfdüsen durch Positivmodelle, vorzugsweise aus auflösbaren oder ausschmelzbaren Materialien, mittels galvanischen Abscheideverfahren hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Formteilwerkzeuges nach Anspruch 5 und folgenden dadurch gekennzeichnet, dass das Formteilwerkzeug aus Einzelsegmenten aufgebaut wird, die ihrerseits entsprechend den beschriebenen Verfahren hergestellt werden.