DE102007032621A1

DE102007032621A1 - Metallischer Werkzeugeinsatz

Info

Publication number: DE102007032621A1
Application number: DE102007032621A
Authority: DE
Inventors: Frank Herzog
Original assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Current assignee: Concept Laser GmbH
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2027-07-12
Also published as: DE102007032621B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen metallischen Werkzeugeinsatz 1, bestehend aus einem formgebenden Teil 2 mit einer Formoberfläche 3 und einem Basisteil 4, das mit mindestens einem Kühlkanal 5 versehen ist, wobei das formgebende Teil 2 zumindest teilweise aus Stahl mit einer hohen Oberflächengüte der Formoberfläche 3 vorgefertigt ist und die der Formoberfläche 3 abgewandte Seite des vorgefertigten Teils 2 als Verbindungsfläche für den Aufbau des Basisteils 4 in einem Metallpulverschmelz- oder Metallpulversinterprozeß dient, wobei die Kühlkanalstruktur 5 des Basisteils 4 zumindest bereichsweise flächig verlaufend in dem am formgebenden Teil 2 angrenzenden Bereich des Basisteils 4 angeordnet ist.

Description

Die Erfindung/Neuerung betrifft einen metallischen Werkzeugeinsatz, bestehend aus einem formgebenden Teil mit einer Formoberfläche und einem Basisteil, das mit mindestens einem Kühlkanal versehen ist.
Aus dem Stand der Technik ist es beispielsweise aus DE 195 11 772 C2 bekannt, ein metallisches Werkstück aus einem vorgefertigten Unterteil und aus einem durch einen Metallpulversinterprozeß darauf aufgebauten Oberteil herzustellen. Das Unterteil ist eine vorgefertigte Platte, die aus einem Material gebildet ist, an dem das Aufbaumaterial bei der Verfestigung anhaftet.
Einen zumindest zum Teil durch einen Metallpulversinter- oder Metallpulverschmelzprozeß hergestellten Werkzeugeinsatz lehrt die EP 1 521 657 B1 . Dabei ist das Unterteil beispielsweise aus einem massiven Metallstück herausgearbeitet und darauf ein Oberteil, das das formgebende Teil für das Spritzgießwerkzeug bildet, in einem generativen Verfahren darauf aufgebaut. Sowohl Ober- als auch Unterteil sind mit Kühlkanälen versehen. Nachteilig hierbei ist es, daß der Oberflächenqualität (Rauheit) des schichtweise hergestellten Oberteils durch den Metallpulversinter- oder Metallpulverschmelzprozeß Grenzen gesetzt sind. Derartige Einschränkungen haben bei einer späteren Verwendung des Werkzeugeinsatzes in einem Spritzgießwerkzeug den Nachteil, daß die aus dem Spritzgießverfahren hergestellten Produkte ohne Einbindung weiterer Bearbeitungsschritte nur eine beschränkte Oberflächengüte aufweisen können.
Der Erfindung/Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für einen metallischen Werkzeugeinsatz unter Einbeziehung eines Metallpulversinter- oder Metallpulverschmelzverfahrens bereitzustellen, das ohne die Verwendung weiterer Bearbeitungsschritte, im Vergleich zum Stand der Technik, eine höhere Oberflächengüte der Formoberfläche erreicht. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung den Herstellungsprozeß des metallischen Werkzeugeinsatzes derart zu gestalten, daß er einfach und schnell ausgeführt werden kann. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, einen metallischen Werkzeugeinsatz bereitzustellen, der es erlaubt durch die Anordnung seiner Kühlkanäle im Einsatz in einem Spritzgießwerkzeug Kunststoffteile mit einer hohen Oberflächengüte und filigranen Strukturen sicher und schnell zu fertigen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruches 1 sowie des Verfahrensanspruches 29 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–28 bzw. 30–33.
Als Kern der Erfindung/Neuerung wird es angesehen, daß das formgebende Teil aus Stahl zumindest teilweise vorgefertigt ist und die seiner Formoberfläche abgewandte Seite des formgebenden Teils als Verbindungsfläche für den Aufbau des Basisteils in einem Metallpulversinter- oder Metallpulverschmelzprozeß dient, wobei die Kühlkanalstruktur des Basisteils zumindest bereichsweise flächig verlaufend in dem am formgebenden Teil angrenzenden Bereich des Basisteils angeordnet ist. Dadurch, daß ein beliebiger Stahl als formgebendes Teil für den späteren Einsatz des Werkzeugeinsatzes in einer Spritzgießmaschine wählbar ist, wird es ermöglicht, die Oberflächengüte und damit auch den Rauhheitsgrad der formgebenden Formoberfläche hochwertiger und damit glatter (keine Porenbildung) auszubilden. Darüber hinaus wird es ermöglicht, das formgebende Teil vor oder nach dem Aufsintern des Basisteils mit einer filigranen Struktur zu versehen, die bei einem Metallpulversinter- oder Metallpulverschmelzprozeß nicht oder nur mit hohem Aufwand gefertigt werden könnte. Um dem formgebenden Teil des metallischen Werkzeugeinsatzes eine zumindest ausreichende, aber auch möglichst vielseitige Kühlung durch die Anordnung und Dimensionierung der Kühlkanäle zu ermöglichen, ist es vorgesehen, zumindest einen Teil der Kühlkanalstruktur in dem an dem formgebenden Teil angrenzenden Bereich des Basisteils anzuordnen. Die Kühlkanäle innerhalb des Basisteils werden während des Aufbaus des Basisteils in dieses eingebracht. Durch das Aufbauverfahren des Basisteils auf den formgebenden Teil wird es ermöglicht, sowohl die Vorteile des formgebenden Teils aus Stahl (hohe Oberflächengüte) als auch die Gestaltungsfreiheit bei der Anordnung und Dimensionierung der Kühlkanäle durch den generativen Aufbau des Basisteils in einem metallischen Werkzeugeinsatz zu vereinen.
Das Material des formgebenden Teils ist so gewählt, daß es einen niedrigen Oberflächenrauheitsgrad, zumindest nach einer Oberflächenbearbeitung, aufweist. Vorzugsweise wird vakuumerschmolzener Stahl verwendet. Alternativ kann auch ein anderer qualitativ hochwertiger Stahl verwendet werden, wie beispielsweise ein pulvermetallurgisch hergestellter Stahl oder ein hochwärmeleitfähiger Stahl.
Als Material für das formgebende Teil können auch Nichtmetalle in Betracht gezogen werden, sobald eine zuverlässige Verbindung zu dem Basisteil gewährleistet werden kann. So kann z. B. die Verbindungsfläche eines aus Keramik bestehenden formgebenden Teils mit einer Beschichtung versehen sein, die es ermöglicht, auf die Verbindungsfläche bzw. die Beschichtung ein Basisteil in einem generativen Verfahren aufzubauen.
Unter der bereichsweise flächig verlaufenden Kühlkanalstruktur sind sowohl eine Vielzahl, einen flächenartigen Abschnitt bildender Kühlkanäle, als auch mindestens ein einen im wesentlichen flächigen Querschnitt aufweisender Kühlkanal umfaßt. Ein zumindest bereichsweise in seinem Querschnitt flächig ausgebildeter Kühlkanal kann über mehrere Kühlfluidein- und/oder Kühlfluidauslässe verfügen.
Vorteilhaft ist es, wenn das formgebende Teil zumindest an seiner Oberfläche mit einer Struktur versehen ist, die vor dem Aufsintern des Basisteils dem formgebenden Teil eingebracht wird, da der Werkzeugeinsatz nach Abschluß des Aufsinterns oder Aufschmelzens der Fertigungsmaschine entnommen werden kann und gegebenenfalls keine weiteren Bearbeitungsschritte mehr benötigt.
Darüber hinaus hat es sich als günstig erwiesen, wenn vor oder nach dem Aufsintern oder Aufschmelzen des Bauteils die Formoberfläche eine Oberflächenbehandlung erfährt, wie z. B. eine polierende, schleifende oder fräsende Beaufschlagung der Formoberfläche. So kann beispielsweise vor dem Aufsintern oder Aufschmelzen des Basisteils das formgebende Teil in einem Schmelzprozeß gefertigt und in einem nächsten Verfahrensschritt durch spanabhebende Bearbeitung oder Laserabtrag mit Ausnehmungen und/oder Löchern versehen werden. Die bereits vorgefertigten Ausnehmungen und Durchbrüche des formgebenden Teils können mit daran fortgesetzten Ausnehmungen und/oder Durchbrüchen des aufgesinterten oder aufgeschmolzenen Basisteils korrespondieren und mit diesen beispielsweise Kühlkanäle und/oder Auswerfstiftausnehmungen ausbilden.
Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das formgebende Teil eine kleinere oder gleiche Höhe wie das Basisteil aufweist. Durch eine möglichst geringe Höhe des formgebenden Teils kann die Kühlwirkung der in dem Basisteil angeordneten Kühlkanäle besser auf die Formoberfläche wirken. Die Kühlwirkung der im Basisteil eingesinterten bzw. eingeschmolzenen Kühlkanäle auf die Formoberfläche wird dadurch weiter gesteigert, daß die Kühlkanalstruktur innerhalb des Basisteils im zum formgebenden Teil angrenzenden Bereich angeordnet ist, so daß der Weg für den Wärmeübergang von den Kühlkanälen bis zur Formoberfläche des formgebenden Teils möglichst gering gehalten wird.
Damit das Aufbauverfahren des Basisteils begünstigt wird, ist es vorteilhaft, die Verbindungsfläche des formgebenden Teils im wesentlichen eben auszubilden, so kann direkt ohne weitere Stütz- oder Ausgleichsstrukturen auf die Verbindungsfläche die erste Metallpulverschicht für das Sinter- oder Schmelzverfahren aufgetragen werden. Um die Kühleigenschaften des metallischen Werkzeugeinsatzes weiter zu optimieren, ist es von Vorteil, wenn die Verbindungsfläche des formgebenden Teils eine Struktur aufweist, die mit der zum formgebenden Teil weisenden Oberfläche des Basisteils korrespondiert. Darunter fallen beispielsweise Kühlkanäle, die im Grenzbereich von Basisteil und formgebenden Teil angeordnet sind, so ist es möglich, daß eine halbe Querschnittskontur eines Kühlkanals im Basisteil ausbildet ist und die ihn schließende Kontur im formgebenden Teil durch ein generatives Verfahren eingearbeitet ist. Die Struktur der Verbindungsfläche des formgebenden Teils kann durch ein urformendes oder trennendes Verfahren eingebracht werden. Vorzugsweise wird die Struktur eingefräst und anschließend mit feineren Verfahren bearbeitet. So kann auch eine Netzstruktur eingearbeitet werden, die mit dem Basisteil ein geschlossenes Netz an Kühlkanälen bzw. einer Kühlstruktur bildet. Dabei kann die Kühlstruktur beispielsweise hälftig im formgebenden Teil und hälftig im Basisteil ausgebildet sein. Eine derartige Kühlnetzstruktur bietet eine zuverlässige und schnelle Kühlung, insbesondere von Flächenbereichen.
Auch kann die Kühleigenschaft des metallischen Werkzeugeinsatzes dadurch gesteigert werden, daß wenigstens ein Kühlkanal in Abhängigkeit von der Struktur der Oberfläche angeordnet ist. Darunter fällt beispielsweise die Anordnung eines zumindest im Basisteil verlaufenden Kühlkanals derart, daß dieser wenigstens bereichsweise äquidistant zur Formoberfläche des formgebenden Teils verläuft. Dadurch wird es ermöglicht, daß bei annähernd ähnlichen Wärmeleitkoeffizienten der Materialien des Basisteils und des formgebenden Teils eine gleichmäßige Wärmeänderung an der Formoberfläche erreicht werden kann. Ein entsprechender Unterschied zwischen dem Wärmeleitkoeffizienten der beiden Teile kann durch die Veränderung des Abstandes von Kühlkanal und Formoberfläche ausgeglichen werden. Ferner ist unter der abhängigen Anordnung des Kühlkanals von der Struktur der Formoberfläche auch der Fall mitumfaßt, bei dem z. B. gezielt filigrane Negativformabschnitte (beispielsweise sehr dünne Stege) durch entsprechende Wahl der Anordnung und Dimensionierung der Kühlkanäle des Basisteils an den entsprechenden Bereichen des formgebenden Teils gezielt thermisch beeinflußbar sind. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Werkzeugeinsatz mindestens zwei Kühlkanäle auf, die aus jeweiligen Eintrittsöffnungen das Basisteil mit einem Kühlfluid versorgen. Dabei kann es weiter vorteilhaft sein, wenn die mindestens zwei Kühlkanäle im wesentlichen gleichlang sind und/oder einen im wesentlichen gleichen Widerstand auf das Kühlfluid innerhalb der Kanäle haben. Durch derartige Bedingungen für die Kühlkanäle können deren Auswirkungen auf die Formoberfläche leichter berechnet und leichter vorherbestimmt werden.
Der Querschnitt des Kühlkanals kann über seine Länge unterschiedliche Geometrien aufweisen (Netzstruktur). Durch die Änderung des Querschnitts des Kühlkanals können schnelle und langsam durchströmte Kanalbereiche erzeugt werden. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn in wenigstens einem der Kühlkanäle ein Turbulenzelement integriert ist. Ein Turbulenzelement kann eine gezielte Verengung, ein rotierendes separates Teil oder ein Fluidbewegungsrichtung oder Fluiddruckrichtung abhängiges Ventil sein, das entweder als separates Bauteil oder während des generativen Herstellungsprozesses des Basisteils in einen Kühlkanal eingebaut werden kann.
Um weitere Bearbeitungsschritte für das Basisteil entbehrlich zu machen oder diese zu begünstigen, ist es vorteilhaft, wenn das Basisteil Eingriffselemente aufweist, um den Werkzeugeinsatz zumindest temporär in einem Werkzeug zu fixieren. Derartige Eingriffselemente können vorzugsweise während des generativen Bauprozesses in das Basisteil miteingebaut werden und dienen dem späteren Integrieren des Werkzeugeinsatzes in das Spritzgußwerkzeug. Die Eingriffselemente können sich auch in den nicht formgebenden Teil des formgebenden Teils erstrecken. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Eingriffselemente zur Fixierung in einem Nachbearbeitungswerkzeug verwendet werden können, um beispielsweise die Formoberfläche des formgebenden Teils zu überarbeiten (fräsen, schleifen). Dabei kann das Eingriffselement z. B. als Kernloch oder Aufnahmebohrung ausgebildet sein. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Außenkontur des formgebenden Teils und des Basisteils bündig aneinander anschließen.
Darüber hinaus hat es sich als günstig erwiesen, wenn das Basisteil und das formgebende Teil mindestens eine Auswerfstiftaufnahmeöffnung aufweist, wobei es zusätzlich so sein kann, daß während des generativen Bauprozesses des Basisteils ein Auswerfstift mit Hilfe einer Stützstruktur in die Auswerfstiftaufnahmeöffnung miteingesintert bzw. mitgeschmolzen wird und nach Fertigstellung des Werkzeugeinsatzes und erstmaliger mechanischer Beanspruchung (Stoß) die Hilfsstruktur wegbricht und der Auswerfstift für den Einsatz in der Werkzeugmaschine vorliegt.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn das formgebende Teil eine höhere Dichte aufweist, als das Basisteil. Durch die höhere Dichte des formgebenden Teils kann eine höhere Güte der Formteiloberfläche gewährleistet werden. Da das Basisteil lediglich die Funktion der Aufnahme von Kühlkanälen und die sichere Fixierung des formgebenden Teils innerhalb der Werkzeugmaschine erfüllen muß, kann die Dichte des Basisteils auch gezielt geringer als bei normalen Metallpulversinter- oder Metallpulverschmelzverfahren gehalten werden, um den Bauprozeß des Werkzeugeinsatzes zu beschleunigen und das Werkzeuggewicht zu reduzieren. Darüber hinaus kann die Wahl des Werkstoffes von Basisteil und formgebenden Teil unterschiedlich ausfallen. Vorzugsweise besitzt zumindest eines der beiden Teile Kupfer- und/oder Bronzebestandteile. Auch andere nicht metallische Bestandteile, die die Wärmeleitfähigkeit positiv beeinflussen, sind denkbar.
Wenn das formgebende Teil bereits vor dem Metallsinter- oder Metallschmelzverfahren mit einer strukturierten Formoberfläche versehen wird, ist es von Vorteil, wenn das formgebende Teil in einer Schutzhalterung aufnehmbar ist und die Schutzhalterung auf einen Träger und/oder eine Plattform einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzanlage angeordnet ist. Die Schutzhalterung hat die Aufgabe, das formgebende Teil sicher und definiert innerhalb der Lasersinter- oder Laserschmelzanlage anzuordnen und dem auf der Verbindungsoberfläche stattfindenden Aufbauprozeß eine höhere Toleranzgenauigkeit zu gewährleisten. Ebenso wird die Bestückung der Lasersinter- oder Laserschmelzanlage vereinfacht. Die Schutzhalterung ist vorteilhaft mit einer ebenen Oberfläche, die eine Ausnehmung aufweist, versehen, wobei in diese Ausnehmung das formgebende Teil derart einsetzbar ist, daß dessen Verbindungsoberfläche einen möglichst bündigen Abschluß mit der Oberfläche der Schutzhalterung bildet. Somit liegt vor Beginn des Bauprozesses eine ebene Fläche von Schutzhalterung und formgebenden Teil vor, auf diese der Aufbauprozeß des Basisteils erfolgen kann. In diesem Zusammenhang kann die Formoberfläche des formgebenden Teils mit der Form der Ausnehmung der Schutzhalterung im wesentlichen korrespondieren, so daß das formgebende Teil flächig in der Ausnehmung der Schutzhalterung liegt.
Alternativ wird die Schutzhalterung im generativen Verfahren aufgebaut und nach deren Fertigstellung mit dem formgebenden Teil versehen und anschließend der Aufbauprozeß des Basisteils auf das formgebende Teil gestartet.
Zur Herstellung eines derartigen Werkzeugeinsatzes bietet sich das nachfolgend beschriebene Verfahren an. Dabei wird zuerst zumindest ein zum Teil vorgefertigtes, aus Stahl bestehendes formgebendes Teil mit einer Formoberfläche und einer Verbindungsoberfläche bereitgestellt und in eine Lasersinter- oder Laserschmelzanlage eingesetzt. Im nächsten Schritt wird auf die Formoberfläche des formgebenden Teils das Basisteil aufgesintert oder aufgeschmolzen. Nachdem dieser Prozeß abgeschlossen ist, wird der Werkzeugeinsatz aus der Laserschmelzanlage entnommen. In einer Weiterbildung dieses Verfahrens wird das formgebende Teil in eine Schutzhalterung, welche auf dem Träger und/oder auf einer Plattform der Lasersinter- oder Laserschmelzanlage angeordnet ist, eingesetzt. Vor oder nach dem Aufsintern des Basisteils kann die Formoberseite oberflächenbehandelt und/oder oberflächenbearbeitet werden. Somit ist es möglich auf die Oberfläche eines Metallblocks aus einem hochwertigen Material ein Basisteil aufzubauen und nach Abschluß dieses Aufbauschrittes das hochwertige Material oberflächlich derart zu bearbeiten (fräsen, schleifen, polieren), bis diese Oberfläche eine hohe Oberflächengüte aufweist. Alternativ wird zuerst das Rohmaterial (formgebendes Teil) geschmolzen, legiert und/oder entsprechend bearbeitet und anschließend auf dessen Verbindungsoberfläche mit einem im generativen Verfahren hergestellten Basisteil versehen.
Ferner ist es vorteilhaft, auf ein zu einem geringen Anteil vorgefertigtes Teil (z. B. einer Platte) mehrere Basisteile aufzuschmelzen oder aufzusintern und in einem späteren Schritt das vorgefertigte Teil in einzelne Teile, einzelne Werkzeugeinsätze zu trennen (z. B. mittels Laser oder Säge). Auch das vorsehen einer Sollbruchstelle ist hierfür zweckmäßig.
Grundsätzlich erleichtern Referenzflächen und/oder -bohrungen an dem formgebenden Teil, der Schutzhalterung und/oder des Trägers das Einsetzten sowohl in eine Bearbeitungsmaschine, als auch in eine Kunststoffformgebungsmaschine.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen
1 eine schematische Vollschnittdarstellung des metallischen Werkzeugeinsatzes;
2 eine schematische Vollschnittdarstellung eines alternativen Werkzeugeinsatzes;
3 eine schematische Vollschnittdarstellung eines weiteren Werkzeugeinsatzes mit im formgebenden Teil angeordneten Kühlkanälen;
4 eine schematische Vollschnittdarstellung eines Werkzeugeinsatzes mit Kühlkanälen im Verbindungsflächenbereich;
5 eine schematische Draufsicht eines Blocks oder einer Platte zum aufschmelzen oder aufsintern von Basisteilen;
6 eine schematische Vollschnittdarstellung zweier in einer Schutzhalterung aufgenommener Werkzeugeinsätze.
Der Werkzeugeinsatz 1 besteht aus einem formgebenden Teil 2 mit einer Formoberfläche 3 und einem Basisteil 4, das mit mindestens einem Kühlkanal 5 versehen ist. Im eingebauten Zustand des Werkzeugeinsatzes 1 in einer Spritzgießmaschine bildet die Formoberfläche 3 zumindest einen Teil der Gesamtform des Spritzgießwerkzeugs. Das formgebende Teil 2 zeichnet sich dadurch aus, daß es zumindest teilweise vorgefertigt ist und aus Stahl besteht. Ferner besitzt zumindest die Formoberfläche 3 eine hohe Oberflächengüte, damit die Erzeugnisse des Spritzgießwerkzeugs mit einer hohen Genauigkeit produziert werden können. Auf der von der Formoberfläche 3 abgewandten Seite des vorgefertigten Teils 2 besitzt dieses eine Verbindungsfläche 6, auf der das Basisteil 4 mittels eines Metallpulverschmelz- oder Metallpulversinterverfahrens aufgebaut wird. Dabei wird die Kühlkanalstruktur 5 des Basisteils 4 zumindest bereichsweise in dem am formgebenden Teil 2 angrenzenden Bereich des Basisteils 4 angeordnet.
Die in Zeichnungsfigur 1 dargestellte Kühlkanalstruktur 5 verläuft im Basisteil 4 flächig und parallel zur Verbindungsfläche 6. Das formgebende Teil 2 weist eine kleinere Höhe 7 als das Basisteil 8 auf. Dies hat den Vorteil, daß der Weg des Wärmeüberganges von dem Kühlkanal 5 des Basisteils 4 zu der Formoberfläche 3 gering gehalten und damit eine bessere Kühlwirkung während des Spritzgießprozesses erreicht werden kann. Die Verbindungsfläche 6 des formgebenden Teils 2 ist im wesentlichen eben ausgebildet und erleichtert damit den Aufbauprozeß des Basisteils 4. Um den Werkzeugeinsatz 1 sicherer in einem Spritzgießwerkzeug oder einer Bearbeitungsmaschine einsetzen zu können, weist das Basisteil 4 Eingriffselemente 9 auf. Diese Eingriffselemente 9 können beispielsweise Aufnahmebohrungen 28 (vgl. 4) umfassen.
In dem in Zeichnungsfigur 2 dargestellten Werkzeugeinsatz 1 sind Auswerfstiftaufnahmeöffnungen 10 dargestellt, die sich durch das Basisteil 4 und das formgebende Teil 2 erstrecken. Bevorzugt sind derartige Auswerfstiftöffnungen 10 als Bohrungen mit konstantem Innendurchmesser ausgebildet, es ist aber auch möglich zumindest im Basisteil 4 Senkungen oder andere Querschnitte (Verdrehsicherung) für den in der Auswerfstiftöffnung 10 aufgenommenen Auswerfstift im Zuge des Metallpulversinter- oder Metallpulverschmelzprozesses auf einfache Weise einzuarbeiten. Der mit Pfeil 11 gekennzeichnete Kühlkanal 5 verläuft zumindest abschnittsweise äquidistant zur Formoberfläche 3 des formgebenden Teils 2. Sowohl in 2 als auch in 3 ist der Verlauf des Kühlkanals 5 derart gewählt, daß dieser eine Abhängigkeit (angepaßter Abstand) von der Struktur der Formoberfläche 3 besitzt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante geht aus den Zeichnungsfiguren 3 und 4 hervor, dabei ist die Verbindungsfläche 6 des formgebenden Teils 2 mit einer Struktur versehen, die mit der zum formgebenden Teil 2 weisenden Oberfläche des Basisteils 4 korrespondiert. Diese Struktur der Verbindungsfläche 6 ist beispielsweise aus einem spanabhebenden Verfahren oder aus einem Gußverfahren in die Formoberfläche 3 des formgebenden Teils 2 eingebracht worden. Diese Strukturen können mit Ausnehmungen des Basisteils 4 korrespondieren und beispielsweise einen Kühlkanal 5 bilden. Dies bedeutet, daß ein Teil der Querschnittskontur eines Kühlkanals 5 durch das formgebende Teil 2 und der restliche, die Kontur schließende Umfang durch das Basisteil 4 ausgebildet wird. Vgl. hierzu die mit dem Pfeil 12 gekennzeichneten Stellen des Kühlkanals 5 in den Zeichnungsfiguren 3 und 4. Ferner kann in das formgebende Teil 2 ein gänzlich im Querschnitt umschlossener Abschnitt eines Kühlkanals 5 eingebracht sein, der sich in dem Kühlkanal 5 des Basisteils 4 fortsetzt. Dies kann, wie in 3 dargestellt, durch bohrende Bearbeitung des formgebenden Teils 2 und dem gegebenenfalls Schließen von Bohröffnungen durch Stopfen 13 erreicht und ein Kühlkanalabschnitt 14 gefertigt werden. Ebenso ist es möglich, den Querschnitt des Kühlkanals 5 über seine Länge zu variieren und damit unterschiedliche Geometrien aufweisen zu lassen, wie beispielsweise in dem mit dem Pfeil 12 in 3 markierten Bereich des Kühlkanals 5.
Schließlich sind die Außenkonturen 15, 16 des formgebenden Teils 2 und des Basisteils 4 entweder bündig oder über einen Versatz 29 aneinander angeschlossen. Insbesondere wenn der Versatz 29 von einem relativ eingezogenen Basisteil 4 zu einem relativ überstehenden formgebenden Teil 2 überführt, kann der Werkzeugeinsatz 1 ohne Nachbearbeitung verwendet werden, da die im eingebauten Zustand des Werkzeugeinsatzes 1 sichtbaren Teile (Formoberfläche 3) vorgefertigt sind, vgl. 4.
Für den Herstellungsprozeß des Werkzeugeinsatzes 1 ist es vorteilhaft, wenn auf eine Platte oder Block 23, die aus dem Material des formgebenden Teils 2 gefertigt ist, mehrere Basisteile auf dafür vorgesehene Bereiche 24, 24' in einem generativen Verfahren aufgebaut werden, siehe Zeichnungsfigur 5. Damit können auf einfache Weise mehrere Werkzeugeinsätze 1 gleichzeitig gefertigt werden, da nach dem Aufbau der Basisteile die jeweiligen Bereiche 24, 24' an deren Grenzflächen 25 getrennt werden und damit mehreren Werkzeugeinsätze 1 bereitstehen. Dabei kann die Formoberfläche 3 entweder bereits vor oder nach dem Aufbau der Basisteile auf der „Unterseite" der Platte oder des Blocks 23 eingearbeitet sein bzw. werden. Um beispielsweise ein automatisiertes oder halbautomatisiertes Trennen der Bereiche 24, 24' zu erleichtern, ist es zweckmäßig an der Platte oder Block 23 wenigstens eine Referenzfläche 26, 26' und/oder Referenzbohrung 27 vorzusehen, mittels der die Platte oder Block 23 einfach und zuverlässig in eine Werkzeugmaschine eingespannt werden kann.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung gemäß Zeichnungsfigur 6 werden die Werkzeugeinsätze 1 mit ihrem formgebenden Teil 2 in einer Schutzhalterung 17 aufgenommen. Diese Schutzhalterung 17 ist entweder lösbar an einer Plattform 19 oder indirekt über einen lösbaren Träger 18 mit der Plattform 19 der Lasersinter- oder Schmelzanlage verbunden. Der in die Ausnehmung 21 der Schutzhalterung 17 eingesetzte Werkzeugeinsatz 1 schließt mit seiner Verbindungsfläche 6 bündig an der ebenen Oberfläche 20 der Schutzhalterung an. Neben den in der Zeichnungsfigur dargestellten Schraubverbindungen 22 von Schutzhalterung 17, Plattform 19 und Träger 18 können auch Verbindungsarten wie Kleben, Schweißen, Klemmen und/oder ein magnetischer oder pneumatischer Kraftschluß verwendet werden. Vorteilhaft ist es insbesondere zu Verbindungszwecken Nullpunkspannsysteme (nicht dargestellt) vorzusehen.

1: Werkzeugeinsatz
2: formgebendes Teil
3: Formoberfläche
4: Basisteil
5: Kühlkanal
6: Verbindungsfläche
7: Höhe v. 2
8: Höhe v. 4
9: Eingriffselement
10: Auswerfstiftöffnung
11: Pfeil
12: Pfeil
13: Stopfen
14: Kühlkanalabschnitt
15: Außenkontur v. 2
16: Außenkontur v. 4
17: Schutzhalterung
18: Träger
19: Plattform
20: Oberfläche v. 17
21: Ausnehmung v. 17
22: Schraubverbindung
23: Platte/Block
24, 24': Bereich v. 23
25: Grenzfläche v. 24, 24'
26, 26': Referenzfläche
27: Referenzbohrung
28: Aufnahmebohrung
29: Versatz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19511772 C2 [0002]
- EP 1521657 B1 [0003]

Claims

Metallischer Werkzeugeinsatz (1), bestehend aus einem formgebenden Teil (2) mit einer Formoberfläche (3) und einem Basisteil (4) das mit mindestens einem Kühlkanal (5) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das formgebende Teil (2) zumindest teilweise aus Stahl vorgefertigt ist und die der Formoberfläche (3) abgewandte Seite des vorgefertigten Teils (2) als Verbindungsfläche (6) für den Aufbau des Basisteils (4) in einem Metallpulverschmelz- oder Metallpulversinterprozeß dient, wobei die Kühlkanalstruktur (5) des Basisteils (4) zumindest bereichsweise flächig verlaufend in dem am formgebenden Teil (2) angrenzenden Bereich des Basisteils (4) angeordnet ist.
Werkzeugeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das formgebende Teil (2) zumindest an seiner Formoberfläche (3) eine Struktur aufweist, die vor dem Aufsintern oder Aufschmelzen des Basisteils (4) dem formgebenden Teil (2) eingebracht ist.
Werkzeugeinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder nach dem Aufsintern des Basisteils (4) die Formoberfläche (3) oberflächenbehandelt ist.
Werkzeugeinsatz nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß das formgebende Teil (2) eine kleinere oder gleiche Höhe (7, 8) wie das Basisteil (4) aufweist.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsfläche (6) des formgebenden Teils (2) im wesentlichen eben ausgebildet ist.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsfläche (6) des formgebenden Teils (2) eine Struktur aufweist, die mit der zum formgebenden Teil (2) weisenden Oberfläche des Basisteils (4) korrespondiert.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsfläche (6) des formgebenden Teils (2) eine Struktur (12) durch ein urformendes oder trennendes Verfahren eingebracht ist, die einen Bestandteil der Kühlstruktur (5) des Werkzeugeinsatzes (1) bildet.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Querschnittsfläche der Kühlkanäle (5) zum Teil in die Verbindungsfläche (6) des formgebenden Teils (2) eingearbeitet ist und durch ein generatives Verfahren der verbleibende Teil der Querschnittsfläche aufgebaut wird.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Kühlkanal (5) in Abhängigkeit von der Struktur der Formoberfläche (3) angeordnet ist.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kühlkanal (5) wenigstens bereichsweise äquidistant zur Formoberfläche (3) des formgebenden Teils (2) angeordnet ist.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugeinsatz (1) mindestens zwei Kühlkanäle (5) aufweist, die im wesentlichen gleichlang sind und/oder einen im wesentlichen gleichen Widerstand auf das Kühlfluid innerhalb der Kanäle (5) auswirken.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kühlkanals (5) über seine Länge unterschiedliche Geometrien aufweist.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Kühlkanal (5) eine Netzstruktur aufweist, die etwa hälftig in die Verbindungsfläche (6) des formgebenden Teils (2) urformend oder trennend eingebracht ist.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene, in der die Verbindungsfläche (6) liegt, in etwa hälftig zumindest einen Bereich der Kühlkanäle (5) durchsetzt.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem Kühlkanal (5) ein Turbulenzelement integriert ist.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgefertigte formgebende Teil (2) aus einem vakuumumschmolzenen, pulvermetallurgisch hergestellten und/oder hochwärmeleitfähigen Stahl besteht.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Basisteil (4) und dem formgebenden Teil (2) eine Beschichtung angeordnet ist.
Werkzeugeinsatz nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das formgebende Teil (2) aus Keramik besteht.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er zumindest Teil eines formgebenden Werkzeug ist und die Formoberfläche (3) als Negativform ausgebildet ist.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil (4) Eingriffselemente (9) aufweist, um den Werkzeugeinsatz (1) zumindest temporär in einem Werkzeug zu fixieren.
Werkzeugeinsatz nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Eingriffselement (9) als Kernloch oder Aufnahmebohrung (28) ausgebildet ist.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkonturen (15, 16) des formgebenden Teils (2) und des Basisteils (4) bündig einander anschließen.
Werkzeugeinsatz nach einem der Ansprüche 1–21, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkonturen (15, 16) des formgebenden Teils (2) und des Basisteils (4) über einen Versatz (29) einander anschließen.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil (4) und das formgebende Teil (2) mindestens eine Auswerfstiftaufnahmeöffnung (10) aufweist.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das formgebende Teil (2) eine höhere Dichte aufweist als das Basisteil (4).
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil (4) zumindest Kupfer- und/oder Bronzebestandteile enthält.
Werkzeugeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das formgebende Teil (2) in einer Schutzhalterung (17) aufnehmbar ist und die Schutzhalterung (17) auf einem Träger (18) und/oder einer Plattform (19) einer Laserschmelz- oder Lasersinteranlage angeordnet ist.
Werkzeugeinsatz nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das formgebende Teil (2), die Schutzhalterung (17) und/oder der Träger (18) mit wenigstens einer Referenzfläche und/oder wenigstens einer Referenzbohrung versehen ist, die ein definiertes einsetzten in eine Bearbeitungsmaschine ermöglicht.
Werkzeugeinsatz nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhalterung (17) und/oder der Träger (18) über wenigstens ein Nullpunktspannsystem mit der Plattform (19) lösbar verbunden ist.
Werkzeugeinsatz nach einem der Anspruch 27–29, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhalterung (17) eine ebene Oberfläche (20) mit einer Ausnehmung (21) aufweist, in die das formgebende Teil (2) einsetzbar ist.
Werkzeugeinsatz nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Formoberfläche (3) des formgebenden Teils (2) mit der Form der Ausnehmung (21) der Schutzhalterung (17) im wesentlichen korrespondiert.
Verfahren zur Herstellung eines in einer Kunststoffformgebungsmaschine einsetzbaren Werkzeugeinsatzes, mit folgenden Verfahrensschritten: – Bereitstellen eines zumindest zum Teil vorgefertigten aus Stahl bestehenden formgebenden Teils mit einer Formoberfläche und einer Verbindungsoberfläche – Einsetzen des Formteils in eine Lasersinter- und/oder Laserschmelzanlage – Aufsintern oder Aufschmelzen eines Basisteils auf die Verbindungsoberfläche des Formteils zur Erlangung eines Werkzeugeinsatzes – Entnahme des Werkzeugeinsatzes aus der Laserschmelzanlage.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil in einer Schutzhalterung auf dem Träger und/oder auf einer Plattform einer Laserschmelzanlage eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Formoberfläche des formgebenden Teils vor oder nach dem Aufsintern des Basisteils oberflächenbehandelt und/oder oberflächenbearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32–34, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Basisteile auf die Verbindungsoberfläche des formgebenden Teils aufgesintert oder aufgeschmolzen werden und in einem späteren Verfahrensschritt das formgebende Teil derart zerteilt wird, dass wenigstens zwei Werkzeugeinsätze erlangt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32–35, dadurch gekennzeichnet, daß die wesentliche oder die gesamte Struktur der Formoberfläche des formgebenden Teils, nach dem Aufsintern oder Aufschmelzen des Basisteils eingearbeitet wird.