DE102004029973A1

DE102004029973A1 - Umformwerkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102004029973A1
Application number: DE102004029973A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr.-Ing. Füller; Tilmann Dr.Rer.Nat. Haug; Dirk Dr.-Ing. Hortign; Michael Dipl.-Ing. Knüppel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-22
Also published as: DE102004029973B4; US20050279152A1

Abstract

Bei der Umformung von Werkstücken wirkt eine äußere Kraft auf das Umformwerkzeug und/oder das Werkstück ein, die das Fließen des Werkstückmaterials und seine plastische Verformung in eine durch die Werkzeugform vorgegebene Gestalt bewirkt. Dabei ist das Werkzeug hohen Verschleißkräften unterworfen. DOLLAR A Im Rahmen der zunehmenden Verkürzung von Produktionszyklen müssen auch Umformwerkzeuge immer schneller hergestellt werden, wobei ihre Verschleißbeständigkeit weitgehend erhalten bleiben sollte. DOLLAR A Ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug weist ein Unter- und ein Oberwerkzeug auf, wobei Unter- und/oder Oberwerkzeug eine formgebende Schale und eine diese stützende Hinterfütterung aufweisen, wobei Unter- und/oder Oberwerkzeug zumindest teilweise aus laminierten Materialschichten oder miteinander verbundenen Pulverpartikeln bestehen, wobei das Umformwerkzeug zwischen Unter- und/oder Oberwerkzeug und der formgebenden Schale eine elastische Zwischenschicht aufweist. DOLLAR A Die elastische Zwischenschicht dient dazu, Spannungsspitzen in der Druckbelastung im Umformprozess abzumildern oder auszugleichen und so den Verschleiß des Werkzeugs zu reduzieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß der Oberbegriffe der Patentansprüche 1,2 und 8. Ein derartiges Umformwerkzeug und ein solches Verfahren sind bereits aus der DE 199 00 597 A1 bekannt.

Der grundlegende Verfahrensablauf bei der Umformung von Werkstücken besteht darin, dass das Werkstück in ein formgebendes Umformwerkzeug eingelegt wird, das aus Unter- und Oberwerkzeug besteht, dass eine äußere Kraft auf das Umformwerkzeug und/oder das Werkstück einwirkt, die das Fließen des Werkstückmaterials und seine plastische Verformung in eine durch die Werkzeugform vorgegebene Gestalt bewirkt wird.

Im Rahmen der zunehmenden Verkürzung von Produktionszyklen müssen auch Umformwerkzeuge immer schneller hergestellt werden, wobei ihre Qualität weitgehend erhalten bleiben sollte.

In der DE 199 00 597 A1 wird vorgeschlagen, das Werkzeug schnell mittels Laminated Objekt Manufacturing (LOM) aus Papier- oder Kunststofffolien aufzubauen oder mittels Lasersintern aus Kunststoffpulver. In einem Ausführungsbeispiel wird außerdem offenbart, dass das Werkzeug eine formgebende Schale und eine diese stützende Hinterfütterung aufweisen kann.

Derartige Werkzeuge weisen nur eine begrenzte Verschleißbeständigkeit auf und sind deshalb nur für eine geringe Fertigungsstückzahl geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Umformwerkzeug mit höherer Verschleißbeständigkeit sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.

Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Umformwerkzeug und das Verfahren zu dessen Herstellung durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 2 und 8 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Umformwerkzeuges (Patentansprüche 3 bis 7) und des erfindungsgemäßen Verfahrens (Patentansprüche 9 bis 11).

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Umformwerkzeuges erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es ein Unter- und ein Oberwerkzeug aufweist, wobei Unter- und/oder Oberwerkzeug eine formgebende Schale und eine diese stützende Hinterfütterung aufweisen, wobei Unter- und/oder Oberwerkzeug zumindest teilweise aus laminierten Materialschichten bestehen, und wobei die laminierten Materialschichten derart ausgerichtet sind, dass möglichst viele, möglichst niedrige Treppenstufen in Richtung auf die formgebende Schale auftreten und diese dadurch möglichst gleichmäßig abstützen.

Beispielsweise sind die Materialschichten bei einem üblichen wannenförmigen Tiefziehwerkzeug vorzugsweise parallel zur Schließrichtung des Werkzeugs ausgerichtet. Dadurch tritt der charakteristische Treppenstufeneffekt (also wenige, hohe Stufen) lediglich in dem schmalen Bereich der Wannenwand auf, während in dem wesentlich längeren Bereich des Wannenbodens sehr viele, sehr niedrige Treppenstufen vorliegen, die nicht zu einem erkennbaren Treppenstufeneffekt führen und deshalb die Schale sehr gleichmäßig abstützen.

Eine optimale Ausrichtung mit möglichst vielen, möglichst niedrigen Treppenstufen in Richtung auf die formgebende Schale lässt sich mit bekannten Optimierungsprogrammen leicht bestimmen.

Der Verbund der einzelnen Laminatschichten kann durch eine durchgehende Armierung, insbesondere in Form von Drähten oder Stäben, zusätzlich zur üblichen Verbindung durch Kleben weiter verstärkt werden.

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Umformwerkzeuges erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, dass es ein Unter- und ein Oberwerkzeug aufweist, wobei Unter- und/oder Oberwerkzeug eine formgebende Schale und eine diese stützende Hinterfütterung aufweisen, wobei Unter- und/oder Oberwerkzeug zumindest teilweise aus laminierten Materialschichten oder miteinander verbundenen Pulverpartikeln bestehen, wobei das Umformwerkzeug zwischen Unter- und/oder Oberwerkzeug und der formgebenden Schale eine elastische Zwischenschicht aufweist.

Die elastische Zwischenschicht dient dazu, Spannungsspitzen in der Druckbelastung im Umformprozess abzumildern oder auszugleichen und so den Verschleiß des Werkzeugs zu reduzieren.

Außerdem gleicht die elastische Zwischenschicht den Treppenstufeneffekt bei einem Aufbau des Werkzeugs aus laminierten Materialschichten oder eine Körnigkeit gesinterter Pulveroberflächen aus, die sich anderenfalls in die Innenseite der Schale einprägen würden und bei längerem Einsatz auch durch die Schale hindurch abzeichnen könnten und so einerseits den Verschleiß der Schale, respektive des Werkzeugs, erhöhen würden und andererseits die Güte der Werkstückoberfläche beeinträchtigen würden.

Derartige Effekte können auch durch geeignete Werkstoffwahl für die formgebende Schale reduziert werden. Bevorzugte Werkstoffe für die Schale sind daher einerseits metallische, insbesondere Stahlbleche, aber auch nicht-metallische, insbesondere verstärkte Kunststoffe, z.B. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK).

Sowohl die formgebende Schale als auch deren Hinterfütterung als auch beide können mit den gleichen oder unterschiedlichen Rapid-Prototyping Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann die formgebende Schale aus dünnen Stahlblechen oder CFK-Bahnen laminiert werden und die Hinterfütterung aus Kunststoffpulver gesintert werden. Aufgrund der vergleichsweise geringen Belastung der Hinterfütterung kann diese auch mit anderen Rapid-Verfahren hergestellt werden, z.B. mit 3D-Drucken oder Stereolithographie.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die elastische Zwischenschicht eine Dicke von 0,5 bis 2 mm auf. Bei einer derartigen Dicke sind die gängigen, d.h. leicht und kostengünstig auf dem Markt verfügbaren elastischen Materialien in der Lage, die meisten Spannungsspitzen in der Druckbelastung der üblichen Unformprozess in einem ausreichenden Maße abzumildern, um den Verschleiß deutlich zu reduzieren.

Geeignete elastische Materialien sind beispielsweise Kunststofffolien, vorzugsweise aus Polyolefinen oder Polyurethan.

Dabei kann die elastische Zwischenschicht sowohl aus einem Stück oder aus Schüttgut, z.B. Kunststoffpulver, oder auch Polyurethanmasse, bestehen. Je nach Umformprozess und Gestalt der Schale ist das eine oder das andere vorteilhaft. Eine Zwischenschicht aus einem Stück kann leichter hergestellt, eingelegt und wieder vollständig entfernt bzw. ausgetauscht werden. Schüttgut, insbesondere Pulver, passt sich leichter komplizierteren Geometrien der Schale an.

Vorteilhaft hinsichtlich des Verschleiß ist es auch, wenn die formgebende Schale und/oder die laminierten Materialschichten oder die Pulverpartikeln aus Metall, insbesondere Stahl, bestehen.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die laminierten Materialschichten derart ausgerichtet sind, dass möglichst viele, möglichst niedrige Treppenstufen in Richtung auf die formgebende Schale auftreten und diese dadurch möglichst gleichmäßig abstützen. Die Ermittlung der optimalen Ausrichtung und eine vorteilhafte weitergehende Verstärkung des Verbundes sind bereits vorstehend beschrieben.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die formgebende Schale eine besondere Oberflächenbehandlung auf. Einer solchen Oberflächenbehandlung ist die formgebende Schale als im Vergleich zu ihrer Hinterfütterung kleinem Bauteil leichter und kostengünstiger zugänglich. Geeignete Oberflächenbehandlungen sind beispielsweise eine Oberflächenstrukturierung durch eine Mikroaufrauung, die zur Ausbildung von Mikroschmierstofftaschen in der Oberfläche eines umzuformenden Werkstücks geeignet ist. Oder auch eine Härtung der formgebenden Schale durch geeignete Werkstoffwahl und Temperierung während ihrer Herstellung.

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zur Herstellung eines Umformwerkzeuges, welches Unter- und Oberwerkzeug aufweist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ausgehend von einem dreidimensionalen Datensatz eines Volumenmodells des Umformwerkzeuges das Umformwerkzeug oder Teile davon mittels eines schichtaufbauenden Rapid-Verfahrens aufgebaut werden,
wobei für das Unter- und/oder Oberwerkzeug eine formgebende Schale und eine diese stützende Hinterfütterung hergestellt werden,
wozu der dreidimensionale Datensatz eines Volumenmodells der formgebenden Schale ermittelt wird und von dem dreidimensionalen Datensatz des Volumenmodells des Umformwerkzeuges abgezogen wird, so dass sich ein dreidimensionales Volumenmodell der stützenden Hinterfütterung ergibt, die dann mittels des schichtaufbauenden Rapid-Verfahrens aufgebaut wird.

Im Gegensatz hierzu wird die Hinterfütterung gemäß der DE 199 00 597 A1 durch Hinterspritzen der fertigen Schale hergestellt und muss dann für mindestens einen Tag aushärten.

Dem gegenüber bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil einer schnelleren Herstellung und der Unabhängigkeit von der realen Existenz der formgebenden Schale – ihr Datensatz ist zur Herstellung der Hinterfütterung ausreichend. Der Datensatz kann aber immer wieder zur Herstellung neuer Hinterfütterungen herangezogen werden, während eine reale Formschale durch das Hinterspritzen fest mit der Hinterfütterung verbunden ist und somit nur zu einer einmaligen Verwendung zur Verfügung steht.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird als schichtaufbauendes Rapid-Verfahren das Laminated Objekt Manufacturing angewendet, wobei die zu laminierenden Materialschichten derart ausgerichtet werden, dass möglichst viele, möglichst niedrige Treppenstufen in Richtung auf die formgebende Schale auftreten und diese dadurch möglichst gleichmäßig abstützen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird für das herzustellende Umformwerkzeug zwischen Unter- und/oder Oberwerkzeug und der formgebenden Schale eine elastische Zwischenschicht vorgesehen, wozu der dreidimensionale Datensatz eines Volumenmodells der elastischen Zwischenschicht ermittelt wird und von dem ersten dreidimensionalen Datensatz des Volumenmodells der stützenden Hinterfütterung abgezogen wird, so dass sich ein zweiter dreidimensionaler Datensatz des Volumenmodells der stützenden Hinterfütterung ergibt, die dann mittels des schichtaufbauenden Rapid-Verfahrens aufgebaut wird.

Mittels dieses Verfahrens sind die einzelnen Teile des Unter- und/oder Oberwerkzeuges leicht und kostengünstig herzustellen und es ergeben sich die vorstehend beschriebenen Vorteile der elastischen Zwischenschicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein flacher Schalenrohling und ein umzuformendes Werkstück in die stützende Hinterfütterung des Unter- oder Oberwerkzeugs optional mit einliegender elastischer Zwischenschicht eingelegt und unter Mitwirkung des korrespondierenden Ober- oder Unterwerkzeugs derart umgeformt, dass sich aus dem flachen Schalenrohling die formgebende Schale ergibt.

Dies ist eine besonders einfache, schnelle und kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung der formgebenden Schale, die eine beliebig häufige Neuherstellung ermöglicht. Dies ist insbesondere vorteilhaft im Zusammenspiel mit einer beliebig oft und bereits ohne vorliegende Schale herstellbaren Hinterfütterung.

Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur das erfindungsgemäße Umformwerkzeug und das erfindungsgemäße Verfahren zu seiner Herstellung näher erläutert:
Zunächst wird direkt ein 3D-Volumenmodell des Umformwerkzeuges direkt erstellt oder indirekt über eine Modellierung des herzustellenden Umformwerkstückes.

Die Erstellung der 3D-Modelle kann vollständig virtuell mittels eines geeigneten CAD-Programms erfolgen oder durch plastische Modellierung und anschließende optische oder taktile Vermessung des Modells, sog. Reverse Engineering.

Anhand der 3D-Modelle wird ein dreidimensionaler Datensatz des Umformwerkzeuges erstellt. Dessen formgebende Seite wird um die Dicke der formgebenden Schale und der Zwischenschicht rechnerisch reduziert. Der resultierende Datensatz wird in eine marktübliche Rapid-Prototyping Anlage zum Laminated Objekt Manufacturing eingegeben. Diese wird mit aufgerollten, selbstklebenden Metallfolien befüllt. Die Metallfolie wird nach dem bekannten LOM-Verfahren gemäß dem eingespeisten Datensatz zu einer massiven Hinterfütterung aufgebaut. Dabei werden die zu verbindenden Metallfolien derart ausgerichtet, dass möglichst viele, möglichst niedrige Treppenstufen in Richtung auf die formgebende Schale resultieren. Die hierzu geeignete Ausrichtung wird vorab mittels eines Optimierungs programms ermittelt. In diesem Ausführungsbeispiel verläuft die geeignete Ausrichtung – wie aus der Figur ersichtlich – parallel zur Schließrichtung des Umformwerkzeuges.

In diese Hinterfütterung werden eine elastische Zwischenschicht in Form einer 1 mm dicken Polyethylenbahn und ein flacher Schalenrohling eingelegt. Der flache Schalenrohling besteht aus mehreren Lagen miteinander verklebter, aber noch nicht ausgehärteter CFK-Bahnen. Nachfolgend wird das Umformwerkstück eingelegt und dann wird das Umformwerkzeug unter Druck geschlossen. Dadurch wird der flache Schalenrohling in die formgebende Schale umgeformt. Diese wird abschließend durch eine geeignete Temperierung ausgehärtet.

Das erfindungsgemäße Umformwerkzeug und das erfindungsgemäße Verfahren zu seiner Herstellung erweisen sich in den Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für die Blechverarbeitung in der Automobilindustrie, insbesondere das Tiefziehen. Insbesondere können so erhebliche Vorteile bezüglich der Herstellzeit der Werkzeuge und deren Verschleißbeständigkeit erzielt werden.

Die Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.

So kann die formgebende Schale auch direkt mittels eines Rapid-Verfahrens aufgebaut werden oder auch aus dem Vollen gefräst werden oder aus einem flachen Rohling zunächst grob in eine Vorschale geformt und zur endgültigen formgebenden Schale spanend nachbearbeitet werden.

Eine aus dünnen Stahlblechen kleb-laminierte Hinterfütterung wird zusätzlich durch Zuganker verstärkt, die in Richtung der Schichtung der einzelnen Lamellen verlaufen und an den Seiten des Umformwerkzeuges mit geeigneten Verschluß-Mechanismen, z.B. Muttern, verspannt werden. Gleichzeitig dienen einer oder mehrere der Zuganker als Positionierelemente für eine exakte der einzelnen Lamellen als auch von Hinterfütterung und formgebender Schale.

Bei weniger beanspruchten Werkzeugen kann auch auf die Zwischenschicht verzichtet werden, da bereits die optimale Ausrichtung der Laminatschichten und die daraus resultierende gleichmäßigere Abstützung der Schale den Verschleiß ausreichend minimieren.

Claims

Umformwerkzeug, aufweisend Unter- und Oberwerkzeug, wobei Unter- und/oder Oberwerkzeug eine formgebende Schale und eine diese stützende Hinterfütterung aufweisen, wobei Unter- und/oder Oberwerkzeug zumindest teilweise aus laminierten Materialschichten bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die laminierten Materialschichten derart ausgerichtet sind, dass möglichst viele Treppenstufen in Richtung auf die formgebende Schale auftreten.
Umformwerkzeug, aufweisend Unter- und Oberwerkzeug, wobei Unter- und/oder Oberwerkzeug eine formgebende Schale und eine diese stützende Hinterfütterung aufweisen, wobei Unter- und/oder Oberwerkzeug zumindest teilweise aus laminierten Materialschichten oder miteinander verbundenen Pulverpartikeln bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug zwischen Unter- und/oder Oberwerkzeug und der formgebenden Schale eine elastische Zwischenschicht aufweist.
Umformwerkzeug nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Zwischenschicht eine Dicke von 0,5 bis 2 mm aufweist.
Umformwerkzeug nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Zwischenschicht aus einem Stück oder aus Schüttgut besteht.
Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die formgebende Schale und/oder die laminierten Materialschichten oder die Pulverpartikeln aus Metall bestehen.
Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die laminierten Materialschichten derart ausgerichtet sind, dass möglichst viele Treppenstufen in Richtung auf die formgebende Schale auftreten.
Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die formgebende Schale eine Oberflächenstruktur aufweist, die zur Ausbildung von Mikroschmierstofftaschen in der Oberfläche eines umzuformenden Werkstücks geeignet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeugs welches Unter- und Oberwerkzeug aufweist, wobei ausgehend von einem dreidimensionalen Datensatz eines Volumenmodells des Umformwerkzeuges das Umformwerkzeug oder Teile davon mittels eines schichtaufbauenden Rapid-Verfahrens aufgebaut werden, wobei für das Unter- und/oder Oberwerkzeug eine formgebende Schale und eine diese stützende Hinterfütterung hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der dreidimensionale Datensatz eines Volumenmodells der formgebenden Schale ermittelt wird und von dem dreidimensionalen Datensatz des Volumenmodells des Umformwerkzeuges abgezogen wird, so dass sich ein dreidimensionales Volumenmodell der stützenden Hinterfütterung ergibt, die dann mittels des schichtaufbauenden Rapid-Verfahrens aufgebaut wird.
Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeugs nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass als schichtaufbauendes Rapid-Verfahren das Laminated Objekt Manufacturing angewendet wird, wobei die zu laminierenden Materialschichten derart ausgerichtet werden, dass möglichst viele Treppenstufen in Richtung auf die formgebende Schale auftreten.
Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeugs nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass für das herzustellende Umformwerkzeug zwischen Unter- und/oder Oberwerkzeug und der formgebenden Schale eine elastische Zwischenschicht vorgesehen wird, wozu der dreidimensionale Datensatz eines Volumenmodells der elastischen Zwischenschicht ermittelt wird und von dem ersten dreidimensionalen Datensatz des Volumenmodells der stützenden Hinterfütterung abgezogen wird, so dass sich ein zweiter dreidimensionaler Datensatz des Volumenmodells der stützenden Hinterfütterung ergibt, die dann mittels des schichtaufbauenden Rapid-Verfahrens aufgebaut wird.
Verfahren zur Herstellung eines Umformwerkzeugs nach einem der Ansprüche 8 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass ein flacher Schalenrohling und ein umzuformendes Werkstück in die stützende Hinterfütterung des Unter- oder Oberwerkzeugs optional mit einliegender elastischer Zwischenschicht eingelegt werden und unter Mitwirkung des korrespondierenden Ober- oder Unterwerkzeugs derart umgeformt werden, dass sich aus dem flachen Schalenrohling die formgebende Schale ergibt.