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Die vorliegende Erfindung betrifft ein temperierbares Werkzeug zur Herstellung von Formteilen und ein Verfahren zur Herstellung des Werkzeugs, sowie einen Werkzeugträgerrahmen zur Aufnahme desselben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Werkzeug dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht und das Formteilbett lösbar miteinander verbunden sind. Dadurch ergibt sich erfindungsgemäß eine Reihe von Vorteilen. Bei dieser Variante kann das Formbett als Wechseleinsatz gestaltet werden. Während der metallische Grundträger und die Kunststoff-Verbindungsschicht fest miteinander verbunden sind, lässt sich das Formbett sich von der Zwischenschicht lösen. Das Formteilbett wird nach dem Aufsetzen auf die Verbindungsschicht an bestimmten Stellen mit üblichen Befestigungsmitteln verankert.
(In der vorliegenden Beschreibung sind – sofern verwendet – „Formteilbett” und „Formschale” als funktionsmäßig gleichbedeutend zu sehen.)
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Des Weiteren sind folgende Vorteile dieser Ausbildung der Erfindung hervorzuheben: Bei Änderung, Verschleiß oder Neukonstruktion der Formteilkontur des Formteilbetts muss nur das Formteilbett selbst ausgetauscht werden und nicht das gesamte Werkzeug mit Grundträger und Verbindungsschicht und Formteilbett. Die Anfertigung eines neuen oder geänderten Formteilbetts kann bereits erfolgen, während sich das Formteilbett mit der zu ändernden Geometrie noch in der Produktion befindet. Der metallische Grundkörper mit der Verbindungsschicht, kann mit unterschiedlichen Formteilbetten (= unterschiedliche Geometrie auf der Formteilseite) kombiniert und bestückt werden. Das Gesamtwerkzeug hat eine deutlich höhere Verfügbarkeit für die Produktion während einer Änderungsphase, d. h. das temperierbare Werkzeug muss für die Änderung des Formteilbetts nicht so lange außer Funktion gesetzt werden. Außerdem können Ersatzteil-Formteilbetten kostengünstig bereitgestellt werden. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass sich die Kosten für eine Konturänderung des Formteilbetts auf die Änderung oder Neuanfertigung des Formteilbetts reduzieren.
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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.
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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.
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In einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Werkzeug dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung eine Ölheizung ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Werkzeug dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung eine elektrische Heizung ist.
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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.
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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.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Werkzeug dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Verbindungsschicht ein bei Erwärmung an Volumen zunehmender Kunststoff, insbesondere ein Silikon ist. Diese Gestaltung erleichtert die Handhabung des Formteilbetts beim Einsatz auf die Verbindungsschicht und verbessert den Wärmeübergang.
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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.
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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.
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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.
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Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines temperierbaren Werkzeugs vorzuschlagen, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden oder zumindest stark verringert werden.
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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.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, wird sie unter Zuhilfenahme einer Zeichnung im Folgenden kurz erläutert.
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1 zeigt schematisch im Querschnitt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Werkzeugs.
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2 zeigt schematisch einen in Perspektive dargestellten Abschnitt einer Hälfte eines erfindungsgemäßen Werkzeugs.
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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 von Grundträger und Formteilbett in den Grundträger 2 und in das Formteilbett 6 erstrecken.
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Soll das Formteilbett erfindungsgemäß als Wechselwerkzeug verwendet werden, entfallen derartige Vorsprünge oder sie sind so zu gestalten, dass sie das Entfernen eines lösbaren Formteilbetts von der Verbindungsschicht nicht behindern.
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Das in 1 im Prinzip gezeigte Werkzeug 1 dient zur Herstellung von Formkernen, wie z. B. Formteil 7, im Anorganikverfahren.
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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.
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Auch hier ist darauf zu achten, dass, wenn das Formteilbett erfindungsgemäß als Wechselwerkzeug verwendet wird, derartige Vorsprünge 108 entfallen oder so zu gestalten sind, dass sie das Entfernen eines lösbaren Formteilbetts von der Verbindungsschicht nicht behindern.
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Mit Pfeilen 114 sind Zu- und Abflüsse einer Heizvorrichtung 110 angedeutet.
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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.
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Das Formteilbett 6, 106 besteht erfindungsgemäß aus einem vorzugsweise verschleißfesten, temperaturbeständigen und beheizbaren Kunststoff, z. B. einem wärmebeständigen Epoxidharz. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, enthält das Epoxidharz metallischen Füllstoff zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit.
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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.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug kann auh derart ausgebildet sein, dass der Kunststoff der Verbindungsschicht 4 ein bei Erwärmung an Volumen zunehmender Kunststoff, insbesondere ein Silikon ist.
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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.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
