-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein temperierbares Werkzeug zur Herstellung
von Formteilen und ein Verfahren zur Herstellung des Werkzeugs, sowie
einen Werkzeugträgerrahmen
zur Aufnahme desselben.
-
Ein
derartiges Werkzeug findet allgemein in allen Bereichen, in denen
fließfähige Formstoffe
in einer Form erstarren, Verwendung. Es sind temperierte Werkzeuge
bekannt, die aus Stahl oder Aluminium gefertigt werden, wobei in
der Fachliteratur Produktionsverfahren beschrieben werden, in denen
temperierte Werkzeuge zum Einsatz kommen, wie z. B. Schäumen, Kernformen
oder Spritzgießen.
-
Als
nachteilig bei diesen bekannten Werkzeugen wird z. B. das hohe Eigengewicht
sowie aufwändige
Reparatur- und/oder Änderungsverfahren bei
Stahlwerkzeugen empfunden. Nicht zufriedenstellend ist bisher das
Problem des Wärmeübergangs an
Reparaturstellen gelöst.
Auch sehr kleine Luftspalte zwischen eingesetzten Reparatur- oder Korrektureinsätzen aus
Stahl und dem Stahlwerkzeug stören
und beeinflussen den Wärmeübergang negativ.
Einen weiteren Nachteil stellen bei Stahlwerkzeugen die hohen Herstellungskosten
aufgrund des teuren Rohstoffs dar. Hier kommen in der Regel hochlegierte
vergütete
Warmarbeitsstähle
zum Einsatz. Diese wiederum bedingen einen hohen und kostenintensiven
Bearbeitungsaufwand. Aluminiumwerkzeuge sind zwar vom Gewicht her
leichter und einfacher zu handhaben. Sie sind jedoch wegen ihrer hohen
Verschleißanfälligkeit
ungünstig.
-
Es
ist zunächst
eine Aufgabe der Erfindung, ein temperierbares Werkzeug vorzuschlagen,
mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden
oder zumindest stark verringert werden.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
mit einem temperierbaren Werkzeug zur Herstellung von Formteilen,
welches durch einen Grundträger
aus Metall, ein Formteilbett aus Kunststoff und eine zwischen dem
Grundträger
und dem Formteilbett angeordnete Verbindungsschicht aus wärmleitfähigem Kunststoff
gekennzeichnet ist. Die Gewichtsreduktion gegenüber Stahlwerkzeugen spricht
für sich.
Das spezifische Gewicht von Kunststoffen ist wesentlich geringer
als das von Stahl, wodurch die Handhabung des erfindungsgemäßen Werkzeugs
wesentlich erleichtert und vereinfacht und auch eine Verminderung
der Gefahr und Kosten beim Transport von Schwerlasten erreicht wird.
Vorteilhaft zeigt sich auch die Reduzierung der Herstellungskosten
für das
Werkzeug, aufgrund der möglichen
schnelleren Bearbeitbarkeit. Schließlich stellen die einfache
und kostengünstige Reparatur-
und Änderungsmöglichkeit
einen der größten Vorteile
des erfindungsgemäßen Werkzeugs dar.
Die bei herkömmlichen
Stahl- oder Aluminiumwerkzeugen bei Reparaturen aufgrund des gestörten Wärmeübergangs
in Reparaturzonen auftretenden Schwierigkeiten fallen bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug
praktisch weg. Es gibt keine Probleme beim Wärmeübergang an reparierten oder
geänderten
Bereichen des erfindungsgemäßen Werkzeugs, da
eine Modifikation des Formteilbetts aus Kunststoff praktisch ohne,
den Wärmeübergang
behindernde, Luftspalte möglich
ist. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Stahlwerkzeugen wird
in der Regel ein größerer Teil
des Formteilbetts entfernt und durch einen modifizierten Teil ersetzt.
Die hierdurch beim Wiedereinsatz entstehenden den Wärmeübergang störenden Luftspalte
mit allen ihren Folgeproblemen werden beim erfindungsgemäßen Werkzeug
vorteilhafterweise vermieden.
-
Ein
weiterer großer
Vorteil des erfindungsgemäßen Werkzeugs
besteht darin, dass es für
kleine bis mittlere Stückzahlen
erhebliche Kostenvorteile ermöglicht.
Es ist einerseits erheblich günstiger
als ein vergleichbares Stahlwerkzeug. Temperierte Stahlwerkzeuge
eignen sich wegen der hohen Herstellungskosten nicht für kleine
bis mittlere Stückzahlen.
-
Andererseits
kann man bereits in der Pilotphase mit dem endgültigen Werkzeug arbeiten, da ein
späterer
Materialumstieg nicht mehr erforderlich ist. Hierzu soll zur Erläuterung
ein konkretes Beispiel dienen: Es ist seit geraumer Zeit im Gießereibereich das
anorganische Kernherstellungsverfahren im Einsatz. Das sogenannte Anorganikverfahren
gilt als umweltfreundlich. Nachteilig ist jedoch die Notwendigkeit,
dass man bisher heiße
Werkzeuge aus Stahl einsetzen muss.
-
Wegen
den hohen Kosten von Stahlwerkzeugen werden derzeit Kleinserien,
Prototypen- oder Vorserienteile in nicht-temperierten Kunststoffwerkzeugen
mit (nicht umweltfreundlichen) organischen Bindersystemen hergestellt.
Der spätere
erforderliche Umstieg auf die „heiße” Serie
birgt enorme Risiken und Unsicherheiten und erzeugt hohe Kosten und
Zeitverzug.
-
Das
erfindungsgemäße Werkzeug
bietet aufgrund seines neuen Werkzeugkonzepts den großen Vorteil,
dass das Herstellen von Prototypen und Vorserien direkt im späteren Serien-Kernherstellungsverfahren
erfolgen kann. Das erfindungemäße neue Werkzeugkonzept
ermöglicht
einer Vielzahl von potentiellen Gießereien den Einsatz von umweltfreundlichen
anorganischen Bindersystemen auch bei kleinen bis mittleren Stückzahlen.
-
In
einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Werkzeug dadurch
gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht Vorsprünge aufweist, welche
den Grundträger
und das Formteilbett formschlüssig
miteinander verbinden. Damit lässt
sich vorteilhafterweise eine zusätzliche
Stabilisierung der Verbindung des Grundträgers aus Metall mit dem Formteilbett
aus Kunststoff erzielen.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Werkzeug
dadurch gekennzeichnet, dass der Grundträger eine Heizvorrichtung aufweist.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ggf. erforderliche Veränderungen
im Formteilbett nicht durch eine dort angeordnete Heizvorrichtung
behindert oder erschwert werden.
-
In
einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Werkzeug
dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung eine Ölheizung
ist.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Werkzeug
dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung eine elektrische Heizung
ist.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Werkzeug
dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des Formteilbetts ein wärmebeständiges Epoxidharz,
welches vorzugsweise metallischen Füllstoff zur Verbesserung der
Wärmeleitfähigkeit
enthält
ist.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Werkzeug
dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Verbindungsschicht ein
wärmebeständiges Epoxidharz,
welches vorzugsweise metallischen Füllstoff zur Verbesserung der
Wärmeleitfähigkeit
enthält
ist.
-
Es
ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, einen Werkzeugträgerrahmen
zur Aufnahme eines temperierbaren Werkzeug vorzuschlagen, mit dem die
aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden oder zumindest
stark verringert werden.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
mit einem Werkzeugträgerrahmen
zur Aufnahme eines temperierbaren Werkzeugs, der dadurch gekennzeichnet
ist, dass er wenigstens eine Aufnahme für ein erfindungsgemäßes Werkzeug
nach einem der Ansprüche
1 bis 7 aufweist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer Aufgabentrennung
zwischen dem eigentlichen temperierbaren Werkzeug und dem Rahmen,
welcher z. B. die Heizvorrichtung tragen kann. Es ergibt sich eine
schnelle und umkomplizierte Werkzeugwechsel- sowie Werkzeugkombinationsmöglichkeit.
-
In
vorteilhaften Ausbildungen der Erfindung ist der Werkzeugträgerrahmen
dadurch gekennzeichnet, dass er zwei, vier oder mehr Aufnahmen für ein Werkzeug
aufweist. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Kombinationsmöglichkeiten.
-
Es
ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen
eines temperierbaren Werkzeug vorzuschlagen, mit dem die aus dem Stand
der Technik bekannten Nachteile vermieden oder zumindest stark verringert
werden.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
mit einem Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs nach einem der
Ansprüche
1 bis 7, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen einem Grundträger und
einem Formteilbett eine Verbindungsschicht aus wärmeleitfähigem Kunststoff eingebracht
wird. Auf die Vorteile hiervon wird im Folgenden noch eingegangen.
-
Zum
besseren Verständnis
der Erfindung und um zu zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, wird sie unter
Zuhilfenahme einer Zeichnung im Folgenden kurz erläutert.
-
1 zeigt
schematisch im Querschnitt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Werkzeugs.
-
2 zeigt
schematisch einen in Perspektive dargestellten Abschnitt einer Hälfte eines
erfindungsgemäßen Werkzeugs.
-
In 1 ist
beispielhaft ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen temperierbaren Werkzeugs 1 gezeigt,
welches aus einer oberen und einer unteren Werkzeughälfte O und
U zusammengesetzt ist, welche an einer Mittellinie 3 aneinander
anliegen. Beide Hälften
O und U haben einen über
eine Heizvorrichtung 10 mittels beispielsweise Öl beheizbaren Grundträger 2 und
ein Formteilbett 6 für
ein beispielhaft angegebenes Formteil 7, z. B. ein Formkern
für ein
Gussstück,
hier in beliebiger länglicher
Form gewählt.
Der Grundträger 2,
in der Regel aus Metall, z. B. Stahl oder Aluminium, und das Formteilbett 6,
erfindungsgemäß aus Kunststoff,
sind über
eine Verbindungsschicht 4 aus wärmetransparentem Kunststoff
miteinander verbunden. Die Verbindungsschicht 4 wird zwischen
die zueinander ausgerichteten Grundträger 2 und Formteilbett 6 gespritzt
oder gegossen und verklebt diese beiden Bauteile unter Bildung einer
ungehinderten Wärmeübergangsmöglichkeit
zwischen dem Grundkörper 2,
der Verbindungsschicht 4 und dem Formteilbett 6 fest
miteinander. Die Verbindungsschicht 4 kann sich durch zusätzliche
Vorsprünge 8 zur
Bildung einer zusätzlichen formschlüssigen Verbindung
in den Grundträger 2 und
das Formteilbett 6 erstrecken. Das in 1 im Prinzip
gezeigte Werkzeug 1 dient zur Herstellung von Formkernen,
wie z. B. Formteil 7, im Anorganikverfahren.
-
In 2 ist
perspektivisch eine andere Form eines Abschnitts einer Hälfte U eines
erfindungsgemäßen Werkzeugs 101 gezeigt.
Das Werkzeug 101 besteht – analog zum Werkzeug 1 – aus einem Grundträger 102,
einem Formbett 106 und einer Verbindungsschicht 104.
Das Formbett 106 weist eine Ausnehmung zur Aufnahme eines
darin herzustellenden (nicht gezeigten) Formteils 107 auf.
Beispielhaft für
eine größere Anzahl
ist ein Vorsprung 108 zur zusätzlichen formschlüssigen Verbindung
von Grundträger 102 und
Formteilbett 106 angedeutet. Mit Pfeilen 114 sind
Zu- und Abflüsse
einer Heizvorrichtung 110 angedeutet.
-
Nur
schemenhaft und schematisch ist ein Werkzeugträgerrahmen 12 mit Ausnehmungen
zur Aufnahme von Werkzeugen A und B angedeutet. Hierbei können wie
gezeigt zwei Ausnehmungen oder auch mehr Ausnehmungen A, B angeordnet sein.
-
Das
Formteilbett 6, 106 besteht erfindungsgemäß aus einem
vorzugsweise verschleißfesten, temperaturbeständigen und
beheizbaren Kunststoff, z. B. einem wär mebeständigen Epoxidharz. In einer vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung, enthält das Epoxidharz metallischen
Füllstoff
zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit.
-
Die
Verbindungsschicht 4, 104 besteht aus wärmeleitfähigem Kunststoff,
z. B. einem wärmebeständigen Epoxidharz,
der über
den beheizten Grundträger 2, 102 aus
Metall beheizt wird. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
enthält auch
dieses Epoxidharz metallischen Füllstoff
zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit.
-
Das
Werkzeug 1, 101 wird mit temperierten Fluiden
oder elektrischer Energie einer nicht weiter beschriebenen (nicht
gezeigten) Heizvorrichtung 110 auf die erforderliche Betriebstemperatur
erwärmt. Dabei
verhindert der Werkstoffverbund der Komponenten 2, 4,
und 6, bzw. 102, 104 und 106 ein
unkontrolliertes Verformen des vorzugsweise ausdehnungsresistenten
Kunststoffs des Formteilbetts 6, 106.
-
Bei
der erfindungsgemäßen neuen
Kombination sind ein wärmebeständiger,
beheizbarer Kunststoff (Formteilbett) und ein beheizbarer Grundträger aus
Metall über
eine beheizbare Verbindungsschicht aus wärmeleitfähigem Kunststoff verbunden. Durch
den Werkstoffverbund wird eine ggf. vorhandene unkontrollierbare
Verformung des Kunststoffs des Formteilbetts reproduzierbar kompensiert.
Erst durch diese erfindungsgemäße Kombination
der oben genannten Werkstoffe entsteht die Möglichkeit, ein wärmebeständiges und
beheiztes Produktionswerkzeug in Kunststoff einzusetzen. Dadurch
werden die Vorteile des Werkstoffs Kunststoff in neuen Produktionsbereichen
einsetzbar, in denen bisher nur Metallwerkzeuge verwendet werden
konnten.
-
- A
- Ausnehmung
- B
- Ausnehmung
- O
- Werkzeughälfte
- U
- Werkzeughälfte
- 1,
101
- Werkzeug
- 2,
102
- Grundträger
- 3
- Mittelinie
- 4,
104
- Verbindungsschicht
- 6,
106
- Formteilbett
- 7
- Formteil
- 8,
108
- Vorsprünge
- 10,
110
- Heizvorrichtung
- 12
- Aufnahme
- 14,
114
- Kanal