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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Material abtragenden
Bearbeitung von Werkstücken,
insbesondere zur spanabhebenden Bearbeitung von Kunststoffteilen.
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Stand der
Technik
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Dünnwandige
Teile aus Kunststoff lassen sich derzeit weitest gehend nur mittels
Spritzgießverfahren
herstellen. Da viele dieser Kunststoffteile stellenweise sehr geringe
Wandstärken
haben und dadurch beim Einspannen mittels konventioneller Spannmethoden – bspw.
mittels Schraubstock, Vakuumtisch, Klemmvorrichtungen o. dgl. – wie auch
bei der Bearbeitung aufgrund des hierbei ausgeübten Werkzeugdrucks – bspw.
durch Schneidwerkzeuge bei der Zerspanung – sehr leicht deformiert werden, sind
solche Teile derzeit für
eine spanabhebende Bearbeitung nahezu ungeeignet. Ausnahmen sind
unter Umständen
möglich,
wenn das Werkstück
großflächig eingespannt
werden kann und wenn bei der Bearbeitung nicht zu geringe Wandstärken erzeugt
werden müssen.
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Bisher
erfolgt die Herstellung derartiger Werkstücke durch Anfertigung eines
Spritzform-Werkzeuges, mit dem einzelne Teile bzw. eine Kleinserie
gefertigt werden können.
Diese Prototypenteile stehen für
Belastungstests, für
Marktforschungsmaßnahmen
sowie für
allgemeine Funktionsüberprüfungen zur
Verfügung.
Der Teile-Entwurf wird
anschließend
typischerweise in mehreren Durchläufen so lange wiederholt und
modifiziert, bis die endgültig
zu fertigenden Teile die erforderlichen Anforderungen erfüllen. Bei
jedem Schritt der Modifizierung sind auch die entsprechenden Modifizierungen
in dem Spritzform-Werkzeug erforderlich. Regelmäßig benötigt ein Teil mehrere Formen,
bis das endgültige
Modell erreicht ist.
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Sogenannte
Musterformen oder Musterwerkzeuge werden meist mittels Fräsverfahren
in Einzelanfertigung hergestellt, um damit eine Kleinserie von Werkstücken herstellen
zu können,
die dann den erwähnten
Untersuchungen und Weiterentwicklungen unterzogen werden können. Kann
eine solche Musterform nach mehreren Modifikationen nicht mehr weiter
angepasst werden, muss eine neue Musterform gefräst oder anderweitig hergestellt
werden.
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Die
DE 196 13 198 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung von Musterwerkzeugen für den Druck-
und Spritzguss, bei dem zunächst
ein Urmodell mit einer Oberfläche
in Serienqualität
hergestellt wird. Dieses Urmodell wird mit einer elastischen, ausbrennbaren
Masse umgossen, wonach der ausgehärtete Formblock aufgeschnitten
und das Urmodell aus dem Hohlraum entnommen wird. Durch Ummanteln
der Formblockteile mit einer keramischen Masse oder Gips und Ausbrennen
der Formblockteile nach dem Aushärten
der Formen werden Feingussformen hergestellt. Diese Feingussformen
werden anschließend
mit metallischen Formwerkstoffen abgegossen. Nach dem Auskühlen werden
die Werkzeugteile entformt und können
anschließend
nachbearbeitet werden. Das Urmodell kann bspw. stereolithografisch
erstellt werden.
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Einzelne
Werkstücke
aus Kunststoffmaterial können
auch mittels sogenannter Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt
werden.
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Insbesondere
für den
Prototypenbau wäre es
wünschenswert,
dünnwandige
Teile aus Kunststoff und anderen elastischen Materialien als Einzelteile
mittels Material abtragender bzw. spanabhebender Bearbeitung – bspw.
durch Fräsen – herstellen
zu können,
ohne auf die relativ aufwändigen
Verfahren des sog. Rapid Prototyping angewiesen zu sein.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur
Material abtragenden Bearbeitung von dünnwandigen Werkstücken, insbesondere
solchen aus Kunststoff zur Verfügung
zu stellen, mit dem sich einzelne Werkstücke herstellen lassen.
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Dieses
Ziel der Erfindung wird mit dem Verfahren gemäß unabhängigem Anspruch erreicht. Merkmale
vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen
Ansprüchen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Material abtragenden Bearbeitung von Werkstücken eignet sich insbesondere
zur spanabhebenden Bearbeitung von Kunst stoffteilen oder anderen
schwer bearbeiten bzw. relativ weichen Teilen, womit insbesondere
Fräsverfahren,
aber auch drehende Verfahren, Schleifverfahren o. dgl. gemeint sind.
Zunächst
wird hierbei ein Werkstückblock
bzw. ein Rohteil in einer Bearbeitungsmaschine eingespannt. Danach
erfolgt ein Materialabtrag an mindestens einer Fläche des Werkstücks unter
Herstellung einer Vertiefung und/oder eines Absatzes und/oder einer
ringförmigen oder
anders gestalteten Kavität.
Nach dem Auffüllen dieser
Vertiefung bzw. Kavität
mit einem flüssigen oder
fließfähigen, granulatartigen
und/oder pulverförmigen
Füllmaterial
härtet
dieses aus, so dass sich anschließend Referenzflächen herstellen
und/oder definieren lassen. Eine erste Referenzfläche befindet sich
vorzugsweise im Bereich der mit der Vertiefung bzw. der Kavität versehenen
Fläche
des Werkstücks Mit
Hilfe der Referenzfläche
lässt sich
eine maßhaltige
Bearbeitung weiterer Flächen
des Werkstücks
sicherstellen. Auf Basis dieser Referenzfläche(n) können dann weitere, Material
abtragende Bearbeitungsschritte folgen, bei denen insbesondere nicht vom
Füllmaterial
ausgefüllte
Bereiche des Werkstücks
bearbeitet werden. Die jeweiligen Bearbeitungsflächen werden entsprechend einer
herzustellenden Fertigkontur des Werkstücks aus dem Rohteil bearbeitet,
bspw. gefräst
oder geschliffen. Diese erwähnten
Bearbeitungsschritte können
zumindest teilweise für
jede weitere zu bearbeitende Werkstückfläche wiederholt werden.
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Das
erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren
bietet Vorteile besonders deshalb, weil keine Spritzguss-Form-Werkzeuge
für die
Fertigung und Entwicklung von Kleinserien, Mustern oder Prototypteilen
mehr notwendig werden. Das Verfahren erlaubt es, durch seine Bearbeitungsschritte
die oft zahlreichen und kostenintensiven Schritte im Prototyp-Spritzform-Werkzeugbau
einzusparen. Diese bisher notwendigen Fertigungsprozeduren können zum großen Teil
eingespart werden, wodurch sich erhebliche Zeit- und Kostenvorteile
realisieren lassen.
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Als
Füllmaterial
eignet sich insbesondere Wachs, das in flüssiger Form in die Vertiefungen
eingebracht und dann ausgehärtet
werden kann. Darüber
hinaus kann als Füllmaterial
auch ein geeignetes Kunststoffmaterial verwendet werden, das einen
tieferen Schmelzpunkt aufweist als das zu bearbeitende Werkstückmaterial.
Auch Paraffin oder andere niedrig schmelzende Werkstoffe können als
Füllmaterial
geeignet sein. Wesentlich dabei ist, dass das gehärtete Füllmaterial
dem Werkstück
genügend Stabilität verleihen
kann, so dass dünne Wandabschnitte
o. dgl. mittels der Material abtragenden Bearbeitung des Werkstücks hergestellt
werden können,
ohne dass diese Abschnitte sich hierbei zu stark verformen und dem
Werkzeug ausweichen.
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Die
Referenzflächen
können
ggf. vor weiteren Fertigungsschritten durch Materialabtrag definiert werden.
Alternativ hierzu können
sie auch durch Vermessen definiert bzw. bestimmt werden. Auch Kombinationen
dieser Möglichkeiten
sind denkbar. Es kann bspw. vorgesehen sein, dass mindestens eine der
Referenzflächen
durch einen gezielten Materialabtrag einer vorzugsweise relativ
dünnen
Schicht hergestellt wird, so dass die maßgenaue Bearbeitung weiterer
Werkstückflächen sichergestellt
werden kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass wenigstens
eine der Referenzflächen
einer Werkstückseite
nach dem Auffüllen
der Kavität
bzw. der Vertiefung mit Füllmaterial
durch dessen Egalisierung bzw. durch dessen Materialabtrag auf das
Niveau der Referenzfläche
beibehalten wird.
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Eine
weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorsehen,
dass die mit Füllmaterial
zumindest teilweise bedeckten Werkstückseiten plan gefräst werden,
wobei das überschüssige Füllmaterial
bis zum Niveau der jeweiligen Referenzfläche entfernt bzw. abgetragen
wird.
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Ggf.
können
auch mehrere Referenzflächen an
verschiedenen Werkstückseiten
nacheinander hergestellt bzw. definiert werden, bevor dem Werkstückblock
Füllmaterial
zugegeben wird. Bei einem quaderförmigen Werkstückrohling
können
mindestens zwei aneinander grenzende Seitenflächen als Referenzflächen ausgebildet
bzw. definiert sein. Bei Werkstücken
mit einer Vielzahl von Bearbeitungsflächen können entsprechend mehr Referenzflächen vorzusehen
sein.
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Eine
bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorsehen,
dass wenigstens eine plan gefräste
Fläche
und wenigstens eine Referenzfläche
jeweils die Ausrichtebenen bilden, die als Orientierungsebenen für die folgenden
Bearbeitungsschritte der angrenzenden Seitenflächen dienen.
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Die
zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten
können
insbesondere dazu führen,
dass das Werkstück
nach jedem Auffüllen
von Füllmaterial
in seinen Außenkonturen
annähernd
wieder dem unbearbeiteten Werkstückrohling
entspricht. Somit kann das Werkstück nach jedem Bearbeitungsschritt
in einer Werkzeugmaschine neu eingerichtet, fest gespannt, umgespannt
und weiter bearbeitet werden. Die Maßhaltigkeit wird durch die
richtige Definition und Erfassung der Referenzflächen gewährleistet.
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Nach
dem letzten Bearbeitungsschritt wird das Füllmaterial sinnvoller Weise
von dem in seiner Endkontur (oder einer Zwischenkontur für weitere, ggf.
mit anderen Maschinen durchzuführende
Bearbeitungsschritte) befindlichen Werkstück mehr oder weniger vollständig abgelöst. Das
Füllmaterial
kann bspw. durch Erwärmung
verflüssigt
und vom Werkstück
abgelöst,
insbesondere abgeschmolzen werden. Wahlweise kann das Füllmaterial
auch mittels eines chemischen Lösungsverfahrens
vom Werkstück
entfernt werden. Auch mechanisches Abtragen kann möglich oder
sinnvoll sein, bspw. mittels Strahlen mit geeignetem Strahlgut.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
kommen insbesondere bei der Verwendung von Kunststoffmaterial als
Werkstückmaterial
zum Tragen. Das Werkstück
kann bspw. aus thermoplastischem Kunststoff bestehen, der sich normalerweise nicht
mittels eines Fräsers
bearbeiten lässt,
so dass dünnwandige
Abschnitte herstellbar sind. Auch viele Kunststoffverbundmaterialien
lassen sich nicht mittels spanabhebenden Fertigungsverfahren bearbeiten,
da das Material zu weich wäre
und teilweise zu stark erhitzen würde, so dass keine maßhaltige
Bearbeitung möglich
wäre. Auch
viele Naturstoffe oder naturähnliche
Stoffe, die aufgrund ihrer Materialeigenschaften einer Span abhebenden
Bearbeitung kaum zugänglich
wären,
lassen sich auf die beschriebene Weise bearbeiten.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Das
Beispiel dient zur Illustrierung der Erfindung, ist jedoch in keiner
Weise einschränkend
zu verstehen.
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Die 1 bis 6 zeigen
in schematischen Perspektivansichten aufeinander folgende Verfahrensschritte
eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens.
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7 zeigt
eine schematische Perspektivdarstellung eines mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
herstellbaren Kunststoffteils.
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Anhand
der 1 bis 7 wird ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens
illustriert. Gleiche Teile sind dabei grundsätzlich mit gleichen Bezugsziffern
versehen, so dass auf eine mehrfache Erläuterung teilweise ver zichtet werden
kann. Das erfindungsgemäße Verfahren
wird anhand der Bearbeitung eines quaderförmigen Rohteils 10 aus
Kunststoff erläutert,
aus dem in mehreren aufeinander folgenden Verfahrensschritten ein
Fertigteil 12 herausgearbeitet wird. Das Rohteil 10 und das
Fertigteil 12 werden im Folgenden teilweise vereinfachend
auch jeweils als Werkstück 14 bezeichnet,
das mit einem Material abtragenden Fertigungsverfahren – gemeint
ist hier insbesondere ein Span abhebendes Verfahren wie bspw. ein
Fräsverfahren – bearbeitet
wird.
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Die
schematische Darstellung der 1 verdeutlicht
die Herstellung einer nestförmigen
Kavität 16 in
dem quaderförmigen
Werkstück 14 aus
Kunststoff. Der Werkstückblock
kann bspw. aus thermoplastischem Kunststoff bestehen, der sich mittels
eines Fingerfräsers
bearbeiten lässt,
so dass sich an einer ersten Werkstückseitenfläche 18 die ringförmige Kavität 16 einfräsen lässt, welche
die Kontur des späteren
Fertigteils 12 (vgl. 7) umschließt. Die außerhalb
der Kavität 16 verbleibende,
ringförmige äußere Fläche 20 bildet
im dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Referenzfläche 22,
die als Bezugsfläche
bzw. als Bezugsmaß für die späteren Bearbeitungsschritte
der übrigen
Werkstückseiten dient.
Die Maßhaltigkeit
der Referenzfläche 22 bestimmt
gleichzeitig die Exaktheit der späteren Bearbeitungsschritte,
da das Werkstück 14 normalerweise
mindestens einmal, ggf. auch mehrfach, umgespannt werden muss. Auch
wenn die rückseitige Werkstückfläche ohne
Umspannen des Werkstücks 14 bearbeitet
werden kann, wird die Exaktheit der Werkzeugführung wesentlich von der zuvor
definierten und/oder mittels Fräsen
hergestellten Referenzfläche 22 auf
der ersten Werkstückfläche 18 bestimmt.
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Nachdem
die Kavität 16 in
der ersten Werkstückseitenfläche 18 hergestellt
sowie die Referenzfläche 22 definiert
bzw. hergestellt ist, wird die Kavität 16 mit einem aushärtbaren
Füllmaterial 24 aufgefüllt (vgl. 2).
Dieses Füllmaterial 24 kann
bspw. Wachs 26, ein geeigneter Kunststoff oder ein anderes
geeignetes flüssiges,
fließfähiges, pulverförmiges,
granulatartiges oder schüttfähiges Material
sein, das anschließend
selbstständig
aushärtet
oder ausgehärtet
werden kann, bspw. durch Wärmeeinwirkung.
Wesentlich für
die Funktion des Füllmaterials 24 ist
u.a., dass es später
rückstandsfrei
von den Werkstückoberflächen getrennt
und abgelöst
werden kann. Wird als Füllmaterial 24 bspw.
Wachs 26 verwendet, so wird dies im erwärmten, flüssigen Zustand in die nestförmige Kavität 16 eingefüllt, wobei die
Profilkontur des später
herzustellenden Fertigteils 12 sowie die Referenzflächen 22 mit
eingegossen und damit zunächst
egalisiert werden (vgl. 3).
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Nach
dem Aushärten
des Füllmaterials 24 bedeckt
dieses in geschlossener Schicht die erste Werkstückoberfläche 18 mitsamt der
ringförmigen Kavität 16 und
verkapselt diese, wie dies in 3 verdeutlicht
ist.
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Anschließend wird
entsprechend 4 die erste Werkstückoberfläche 18 plangefräst, wobei wahlweise
die überstehenden
Bereiche des Füllmaterials 24 exakt
bis zur Referenzfläche 22 abgetragen werden
können.
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Alternativ
hierzu kann die Referenzfläche 22 auch
erst zu diesem Zeitpunkt durch Planfräsen hergestellt werden, so
dass die spätere
Maßhaltigkeit
für das
Bearbeiten der übrigen
Werkstückflächen gewährleistet
werden kann. Die Referenzebene 22 kann somit eine exakte
Ausrichtebene für
alle späteren
Verfahrensschritte bilden.
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Die
schematische Darstellung der 5 verdeutlicht,
dass die Kontur des Werkstückrohlings bzw.
des Rohteils 10 mitsamt dem daran gebundenen Füllmaterial 24 auch
nach der Bearbeitung von mehreren Seiten der Kontur des ursprünglichen,
unbearbeiteten Werkstückrohlings
entspricht. Das Werkstück 14 kann
nach jedem Bearbeitungsschritt und nach jedem Verfahrensschritt
des Auffüllens
von zuvor durch Fräsen
hergestellten Kavitäten 16 immer wieder
nach herkömmlicher
Methode festgespannt und weiter bearbeitet werden. Die unterbrochenen
Linien innerhalb des Füllmaterials 24 deuten
die Konturen des später
aus dem Füllmaterial 24 herauszulösenden Werkstücks 14 bzw.
des Fertigteils 12 an. In der Darstellung der 5 ist
das Werkstück 14 nur noch
mit seinem flachen Bodenbereich 28 mit dem dickeren Bodenabschnitt 30 des
ursprünglichen Werkstückrohlings 10 verbunden.
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Die
schematische Darstellung der 6 verdeutlicht
den letzten Fräsbearbeitungsschritt,
bei dem dieser Bodenbereich 30 des Werkstückrohlings 10 soweit
abgetragen wird, bis die gewünschte
Bodenstärke
des später
aus dem Füllmaterial 24 herauszulösenden Werkstückfertigteils 12 hergestellt
ist. In der Darstellung der 6 ist bereits
das fertige Teil 12 hergestellt, das jedoch noch im aussteifenden Füllmaterial 24 eingebettet
ist und erst aus diesem herausgelöst werden muss.
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Dieses
Ablösen
des Füllmaterials 24 vom Werkstück 14 kann
anschließend
bspw. durch Schmelzen des Füllmaterials 24 erfolgen;
bei dieser Variante muss das Füllmaterial 24 einen
Schmelzpunkt aufweisen, bei dem der Kunststoff des Werkstücks 14 noch
keine Gefügeveränderungen
erfährt oder
auf sonstige Weise beeinträchtigt wird.
Wahlweise kann das Ablösen
des Füllmaterials 24 auch auf
chemischem Wege, durch mechanisches Abtragen wie bspw. durch Strahlen
mit geeignetem Strahlgut, durch ein geeignetes Wasserstrahlabtragen
o. dgl. erfolgen.
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Die 7 zeigt
schließlich
das vom Füllmaterial 24 – bspw.
vom Wachs 26 – befreite
Werkstück 14 in
seiner Endkontur und damit als Fertigteil 12.
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Die 1 bis 7 verdeutlichen
beispielhaft die wesentlichen Aspekte der vorliegenden Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht die
Herstellung von relativ dünnwandigen
Kunststoff- und Metallteilen, die ansonsten einem spanabhebenden
Fertigungsverfahren wie dem Fräsen
nicht zugänglich
wären,
weil die geringen Wandstärken
eine zu große
Verformung der Teile bewirken und zu einem Ausweichen des Materials
bei Einwirkung der Werkzeugschneide führen würden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren
hingegen werden die dünnen Wandteile,
Stege und sonstige Flächen
jeweils durch das fest mit dem Werkstück 14 verbundene bzw.
an diesem anhaftenden Füllmaterial 24 abgestützt, so dass
sich die Flächen
problemlos bearbeiten lassen, ohne dass es zu nennenswerten Materialverformungen,
-ausbrüchen
oder – rissen
kommt.
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Es
ist für
den Fachmann bspw. unmittelbar einsichtig, dass bei dem Bearbeitungsschritt
gemäß 6 die
Unterseite des Bodens 28 des schalenförmigen Werkstücks 14 kaum
einer Fräsbearbeitung zugänglich wäre, ohne
dass sich der Boden 28 hierbei mehr oder weniger stark
nach innen durchwölben würde. Durch
dieses Ausweichen des elastischen Kunststoffmaterials wäre keine
gleichmäßige Wandstärke des
Werkstückbodens 28 zu
gewährleisten; Ergebnis
einer herkömmlichen
Planfräsbearbeitung wäre vielmehr
ein nach unten ausgebauchter Boden, der u.U. sogar unregelmäßig ausgebaucht
wäre.
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Für den Fachmann
wird bei Betrachtung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zudem
klar, dass sich das Verfahren nicht nur zur spanabhebenden Kunststoffbearbeitung
eignet, sondern ein hervorragendes Bearbeitungsverfahren für viele
andere problematische Werkstücke
und Materialien darstellen kann. So lassen sich damit bspw. auch
Holz, Horn, weiche Steine und andere Naturmaterialien bzw. naturähnliche
Materialen in den gewünschten Wandstärken bearbeiten.
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Je
nach Komplexität
der herzustellenden Werkstückkonturen
kann die Bearbeitung mit Schleifmaschinen, mit einem 3-achsigen
Bearbeitungsverfahren (3-Achs- Fräsmaschine),
mit einem 4-achsigen (4-Achs-Fräsmaschine)
oder auch mit einem 5-achsigen
Bearbeitungsverfahren (5-Achs-Fräsmaschine)
erfolgen. Darüber
hinaus sind selbstverständlich
auch Bearbeitungen mit Sondermaschinen möglich, die für eine Material
abtragende bzw. spanabhebende Bearbeitung geeignet sind.
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Das
Verfahren eignet sich zur Herstellung solch dünner Werkstückabschnitte, dass sich damit sogar
sog. Filmscharniere o. dgl. herstellen lassen. Somit können sogar
Behälter
mit angeformtem Deckel hergestellt werden, die mit herkömmlichen
Verfahren nur unter sehr hohem Fertigungsaufwand herstellbar wären. Die
Herstellung eines solchen Behälters
mit angeformtem Deckel erfolgt so, dass sich der Deckel im geöffneten
Zustand befindet, wobei der Öffnungswinkel
des Verbindungsscharniers zweckmäßigerweise
ungefähr
180 Grad beträgt.
Nach dem Ausformen des fertigen Werkstücks kann dann der Deckel verschwenkt
sowie auf seinen vorgesehenen Platz auf den oberen Rand des Behälters aufgesetzt und
dort ggf. eingerastet werden.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten
Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung
sein. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr
ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von
dem erfindungsgemäßen Gedanken
Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.
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- 10
- Rohteil
- 12
- Fertigteil
- 14
- Werkstück
- 16
- Kavität
- 18
- erste
Seitenfläche
- 20
- äußere Fläche
- 22
- Referenzfläche
- 24
- Füllmaterial
- 26
- Wachs
- 28
- Bodenbereich
(Fertigteil)
- 30
- Bodenseite,
Bodenabschnitt (Rohteil)