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Die
Erfindung betrifft einen Niederhalter für ein Umformwerkzeug sowie
ein entsprechendes Verfahren zu dessen Herstellung.
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Eine
Verwendung von Niederhaltern ist insbesondere aus dem Bereich der
Tiefziehwerkzeuge für
metallische Bleche sowie aus entsprechenden Umformwerkzeugen von
Prepreg-Fasermatten für die
Herstellung von faserverstärkten
Kunststoffbauteilen bekannt. Diese Niederhalter dienen dazu, das umzuformende
Flächenelement
(Metallblech, Prepreg-Fasermatte) randseitig zu fixieren, um während des
Umformprozesses ein unkontrolliertes Nachrutschen des Materials
im Randbereich zu verhindern.
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Die
Niederhalter für
Tiefziehwerkzeuge für metallische
Bleche werden in der Regel aus einem metallischen Werkstoff gegossen.
Aufgrund diverser Einschränkungen
dieses Herstellungsverfahrens können
lange, schlanke Elemente mit komplexen dreidimensionalen Freiformflächen, wie
sie vielfach aus werkzeugtechnischer Sicht wünschenswert wären, hiermit
nicht hergestellt werden. Beispielsweise können Abschnitte dieser Elemente
mit besonders kleinem Querschnitt dazu führen, dass die metallische
Schmelze an diesem Querschnitt aufgrund der großen Kühlwirkung zu früh erstarrt,
wodurch die weitere Füllung
des Formkerns behindert wird. Weiterhin kann eine besonders komplexe
Geometrie des zu gießenden
Elements dazu führen,
dass die metallische Schmelze das Gießwerkzeug nicht vollständig ausfüllt.
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Eine
lange, schlanke Ausrichtung der Elemente des Niederhalters in Verbindung
mit einer asymmetrischen Geometrie kann zudem zu einem durch eine
ungleichförmige
Auskühlung
der einzelnen Abschnitte begründeten
Verzug des Bauteils führen.
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Die
Herstellung von Niederhaltern aus Kunststoff mittels bekannter Kunststoff-Fertigungsverfahren
(z. B. Spritzgießen)
zeichnet sich zwar durch eine größtmögliche Flexibilität hinsichtlich
der Bauteilgeometrie aus; derartige Niederhalter aus Kunststoff,
die insbesondere bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen
sowie beim Tiefziehen von Kunststofffolien zum Einsatz kommen, unterliegen
jedoch einem sehr hohen Verschleiß. Diese Kunststoff-Niederhalter
müssen
daher relativ häufig
ausgewechselt werden, wodurch die Fertigungskosten erhöht werden.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, einen Niederhalter anzugeben, der zumindest einen der
aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile weitestgehend vermeidet.
Weiterhin soll erfindungsgemäß ein Verfahren
zur Herstellung eines solchen Niederhalters angegeben werden. Insbesondere
soll der Niederhalter in einer nahezu beliebig komplexen Geometrie
herstellbar sein, gleichzeitig jedoch ausreichende mechanische Kennwerte,
insbesondere hinsichtlich der Festigkeit sowie der Verschleißfestigkeit,
aufweisen.
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Diese
Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
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Der
Kern der Erfindung sieht vor, einen solchen Niederhalter für ein Umformwerkzeug
aus einer Mehrzahl von Segmenten herzustellen, die mittels eines
generativen Fertigungsverfahrens, beispielsweise dem direkten Metallsintern
oder einem Strahlschmelzverfahren herzustellen, wobei die Seg mente zur
Ausbildung des Niederhalters nachträglich miteinander verbunden
werden.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten generativen Fertigungsverfahren
zeichnen sich dadurch aus, dass Bauteile mit hochkomplexer Geometrie
erzeugt werden können,
wobei durch den Einsatz unterschiedlichster und definiert ausgewählter Ausgangswerkstoffe
die mechanischen Kennwerte des generativ hergestellten Bauteils
in weiten Grenzen beeinflusst werden können. Da für generative Fertigungsverfahren
in der Regel keine Formwerkzeuge benötigt werden, zeichnen sich
diese Verfahren zudem durch eine hohe Wirtschaftlichkeit bei der
Herstellung von Bauteilen in geringen Stückzahlen aus. Ein Problem bei
der Herstellung von Bauteilen mittels generativer Fertigungsverfahren
liegt jedoch darin, dass aufgrund der vorhandenen Fertigungsvorrichtungen
Bauteile häufig
lediglich in Abmessungen hergestellt werden können, die deutlich unterhalb
denjenigen Abmessungen liegen, die regelmäßig für Niederhalter von Umformwerkzeugen
benötigt
werden. Aus diesem Grund ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine Mehrzahl
von Segmenten mittels generativer Fertigungsverfahren herzustellen,
die daraufhin zur Ausbildung des Niederhalters miteinander verbunden
werden.
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Erfindungsgemäß wird ein
Niederhalter erhalten, der äußerst flexibel
hinsichtlich der möglichen Geometrien
ist, gleichzeitig durch eine entsprechende Auswahl des Ausgangswerkstoffs
nahezu beliebig einstellbare mechanische Kennwerte aufweist und zudem
zumindest in der Fertigung in geringer Stückzahl wirtschaftlich herstellbar
ist.
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Vorzugsweise
kann vorgesehen sein, dass die Segmente einen rinnenförmigen Mantel
aufweisen, der über
eine innerhalb dieses Mantels liegende Verrippung verstärkt ist.
Auf diese Weise können Segmente
hergestellt werden, die trotz eines geringen Gewichts sehr gute
Steifigkeitswerte aufweisen.
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Vorzugsweise
werden die einzelnen Segmente des Niederhalters stoffschlüssig miteinander verbunden
und insbesondere verschweißt.
Dieses Verbindungsverfahren kombiniert eine hohe Funktionssicherheit
des Niederhalters mit geringen Fügekosten.
Selbstverständlich
können
die Segmente jedoch auch auf beliebige andere Art und Weise – lösbar oder
unlösbar – miteinander
verbunden werden. Als Beispiel soll hier ein Verschrauben, Vernieten oder
Löten genannt
werden.
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Vorzugsweise
weist der erfindungsgemäße Niederhalter
weiterhin ein Zentrierelement auf, durch das zwei miteinander zu
verbindende Segmente zueinander positioniert werden. Das Zentrierelement kann
insbesondere die Positionierung der Segmente während des Fügeprozesses sicherstellen,
gleichzeitig jedoch auch die Stabilität des gesamten Niederhalters
verbessern.
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Beispielsweise
kann das Zentrierelement durch mindestens einen Verbindungsstift
ausgebildet sein, der in jeweils eine entsprechende Öffnung in den
Segmenten eingreift. Sofern der Verbindungsstift bzw. die entsprechenden Öffnungen
in den Segmenten keinen kreisförmigen
Querschnitt aufweisen, ist ein Verbindungsstift bereits ausreichend,
um eine Verdrehsicherung der miteinander zu verbindenden Segmente
zu gewährleisten.
Sollen jedoch zylindrische Verbindungsstifte mit entsprechenden
kreisförmigen
Bohrungen in den Segmenten zum Einsatz kommen, da diese besonders
kostengünstig
herstellbar sind, können
bevorzugt mindestens zwei Verbindungsstifte vorgesehen sein, die
jeweils in entsprechende Öffnungen
in den Segmenten eingreifen. Die mindestens zwei Verbindungsstifte
gewährleisten auch
bei einem kreisförmigen
Querschnitt eine Verdrehsicherung der zu verbindenden Segmente.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1:
in einer schematischen Darstellung einen Niederhalter für ein Umformwerkzeug
zur Herstellung von CFK-Dachmodulen;
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2:
ein erfindungsgemäßes Segment
zur Ausbildung des Niederhalters der 1 in einer
isometrischen Darstellung; und
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3:
in einem Ausschnitt zwei miteinander verbundene Segmente des Niederhalters
der 1.
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In
der 1 ist die Form eines Niederhalters 1 angedeutet,
der in einem Umformwerkzeug (nicht dargestellt) zur Herstellung
eines Dachmoduls aus kohlefaserverstärktem Kunststoff für ein Kraftfahrzeug
eingesetzt werden soll. Der Niederhalter 1 ist im wesentlichen
rechteckig ausgebildet, wobei die einzelnen Seiten dieses Rechtecks
aufgrund der großen Abmessungen
des herzustellenden Bauteils (Dachmodul) sowie den beengten Platzverhältnissen
innerhalb des Umformwerkzeugs eine im Verhältnis zu ihrer Länge sehr
geringe Breite aufweisen. Weiterhin ist erkennbar, dass der Niederhalter 1 eine
komplexe dreidimensionale Form aufweist, die durch die Form des
zu fertigenden Dachmoduls vorgegeben ist.
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Erfindungsgemäß ist der
Niederhalter 1 der 1 aus einer
Vielzahl von Segmenten 2 aufgebaut, die über zwei
Verbindungsstifte 3, die in entsprechende Bohrungen in
den Segmenten 2 eingesetzt werden, und zusätzlich über eine
Schweißnaht miteinander
verbunden werden (siehe 3). Die Schweißnaht ist
vorliegend als Kehlnaht ausgebildet; hierfür sind die Kanten der Segmente 2 im
Bereich der Kontaktfläche
angefast.
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In
der 2 ist ein relativ gradliniges Segment 2 des
Niederhalters 1 dargestellt; andere Segmente können einen
deutlich gekrümmten
Verlauf aufweisen und auch winkelförmig zur Ausbildung der vier
Ecken des Niederhalters 1 ausgebildet sein.
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Die
Segmente 2 des Niederhalters werden mittels des direkten
Metall-Lasersinterverfahrens hergestellt.
Hierbei wird ein pulverförmiger,
metallischer Ausgangswerkstoff in einer dünnen Schicht flächig ausgebreitet
und mittels eines Lasers in denjenigen Bereichen der Fläche, die
in dem entsprechenden Querschnittsbereich des herzustellenden Bauteils
liegen, an- oder vollständig
aufgeschmolzen, so dass sich eine Schicht aus zunächst aufgeschmolzenem
und danach wieder erstarrtem metallischem Werkstoff ergibt. Daraufhin
wird eine weitere Lage aus dem Werkstoffpulver über die zuvor bearbeitete Schicht
ausgebreitet und wiederum in den entsprechenden Bereichen mittels
des Lasers aufgeschmolzen. Dabei verbindet sich der aufgeschmolzene Werkstoff
mit der darunter liegenden, zuvor erstarrten Schicht des Werkstoffs.
Auf diese Weise wird das Bauteil (Segment 2) schichtweise
hergestellt.
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Die
einzelnen Segmente 2 des Niederhalters 1 weisen
einen Mantel 4 mit rinnenförmiger Geometrie auf, wobei
der Mantel 4 über
innen liegende Verstärkungsrippen 5 versteift
ist. Auf diese Weise kann ein Bauteil (Segment 2) erzeugt
werden, das trotz eines geringen Gewichts eine hohe Steifigkeit
aufweist.