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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs, insbesondere eines Presswerkzeugs, beispielsweise für die Prototypenherstellung.
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Solche Presswerkzeuge werden üblicherweise mittels Gießen ausgebildet. Zur Erstellung der dafür verwendeten Gießform wird ein Styropormodell des Werkzeugs erstellt, welches mit einem Gemisch aus Sand und Harz umhüllt wird. Nachdem das Harz gehärtet ist, sollte das Styropormodell vor dem Gießen, zur Vermeidung von Einschlüssen bei der Verwendung von Zink-haltigen Legierungen, aus der Gießform entfernt werden. Aus diesem Grund muss die Gießform derart gestaltet sein, dass das Styropormodell leicht aus der Gießform entfernt werden kann. Das bedeutet allerdings, dass das Werkzeug keinen Hinterschnitt oder Durchbruch quer zu der Richtung, in der das Styropormodell aus der Gießform entfernt werden soll, aufweisen darf. Für Durchbrüche müssten zusätzliche Sandkerne angefertigt, im Modell positioniert und befestigt werden. Dadurch weisen derartig hergestellte Werkzeuge unnötige große Mengen Material auf, wodurch sie schwer und teuer sind. Eine Optimierung der Werkzeugform, beispielsweise mittels einer Topologieoptimierung ist nur eingeschränkt möglich.
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Aus der
DE 103 47 786 A1 ist ein Verfahren zum Erstellen einer Gießform für ein Bauteil bekannt, bei dem iterativ sowohl eine Topologieoptimierung als auch eine Fülloptimierung mit Hilfe von Simulationsprogrammen durchgeführt wird. Auf diese Weise können bei der Optimierung Hinterschnitte und Durchbrüche vermieden werden, welche das Gießen erschweren würden. Allerdings ist die Optimierung des Bauteils dadurch kompromissbehaftet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs derart zu verbessern, dass die Bauteilform des Werkzeugs weniger stark eingeschränkt ist.
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Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Gießform, in welcher das Werkzeug gegossen wird, ohne die Verwendung eines Styropormodells herzustellen. Wenn kein Styropormodell aus der Gießform entfernt werden muss, unterliegt die Bauteilform des Werkzeugs nicht den oben genannten Restriktionen. Erfindungsgemäß ist dabei, dass eine Gießform für das Werkzeug mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt wird, und dass das Werkzeug in der Gießform gegossen wird. Ein solches generatives Fertigungsverfahren ist beispielsweise ein 3D-Druck, insbesondere ein Sand-3D-Druck. Dadurch kann die Gießform ohne ein Styropormodell erstellt werden, welches umständlich aus der Gießform entfernt werden müsste. Auf diese Weise können auch komplexe Bauteilformen in der Gießform gegossen werden, welche insbesondere Hinterschnitte und/oder Durchbrüche aufweisen. Die Gussform wird nach dem Erstarren des Gussmaterials aufgebrochen, also zerstört, um das gegossene Werkzeug freizulegen.
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Vorzugsweise weist das Werkzeug Durchbrüche und/oder Hinterschnitte auf. Dadurch können die Vorteile, welche sich durch die mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellte Gießform bieten, ausgenutzt werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn eine Bauteilform des Werkzeugs durch ein iteratives Verfahren zur Reduktion des benötigten Gussmaterials ermittelt wird. Solche iterativen Verfahren werden eingesetzt, um Material und damit Gewicht der herzustellenden Bauteile zu sparen. Allerdings erzeugen die meisten iterativen Verfahren Bauteilformen, welche Durchbrüche und/oder Hinterschnitte aufweisen, so dass diese mittels eines herkömmlichen Gussverfahrens nur erschwert hergestellt werden können. Solch ein entsprechendes iteratives Verfahren zur Reduktion des benötigten Gussmaterials ist beispielsweise ein Verfahren zur Topologieoptimierung. Durch die Kombination der Topologieoptimierung und des generativen Fertigungsverfahrens für die Gießform können leichte und kostengünstige Werkzeuge, insbesondere auch für die Prototypenherstellung erzielt werden.
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Eine günstige Weiterbildung sieht vor, dass das iterative Verfahren von einer ersten Modellbauteilform ausgeht, welche eine größere Materialstärke aufweist als notwendig wäre, um eine benötigte Stabilität des Werkzeugs zu erzielen, das durch eine Simulation Spannungen bestimmt werden, die in dem Material der ersten Modellbauteilform bei Belastung auftreten, dass eine Reduktion der Materialstärke in Bereichen erfolgt, in welchen die bestimmte Spannung kleiner ist als eine zulässige Spannung, um eine weitere Modellbauteilform zu ermitteln, dass das Simulieren der Spannungen und das Reduzieren der Materialstärke jeweils ausgehend von der letzten Modellbauteilform wiederholt durchgeführt wird, bis ein gewünschter Optimierungsgrad erreicht ist, und dass aus der so gewonnenen Modellbauteilform die Bauteilform des Werkzeugs abgeleitet wird. Die Bereiche in einem Bauteil, in denen unter Belastung keine oder nur geringe Spannungen auftreten, sind für die Stabilität des Bauteils weniger wichtig. Folglich können diese Bereiche ausgespart werden, ohne die Stabilität des Bauteils stark zu beeinflussen. Durch Wiederholung des iterativen Schrittes wird erzielt, dass die Modellbauteilform derart reduziert wird, dass die Spannungen unter Belastung im ganzen Bauteil annähernd konstant ist. Folglich kann mit erheblich geringerem Materialaufwand die gewünschte Stabilität des Bauteils erzielt werden. Die Modellbauteilformen sind dabei lediglich virtuell erstellte Bauteilformen, welche in dem Simulationsprogramm verwendet werden. Aus den Bauteilformen kann nach dem iterativen Verfahren die gewünschte echte Bauteilform abgeleitet werden. Insbesondere werden beim Ableiten der Bauteilform aus der letzten Modellbauteilform schwer herzustellende filigrane Strukturen geglättet.
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Günstig ist es, wenn bei der Herstellung der Gießform mittels des generativen Fertigungsverfahrens die Gießform schichtweise aufgebaut wird, wenn zunächst eine lose Schicht Sand aufgetragen wird, beispielsweise auf eine Plattform, und daraufhin ein Binder derart auf diese lose Schicht Sand aufgebracht wird, dass eine erste Schicht der Gießform entsteht, wenn daraufhin eine weitere lose Schicht Sand aufgetragen wird und auf die weitere lose Schicht Sand ein Binder derart aufgebracht wird, dass eine weitere Schicht der Gießform entsteht, und wenn das Auftragen der losen Schicht Sand und das Aufbringen des Binders wiederholt durchgeführt werden, bis die Gießform vollständig ist. Auf diese Weise kann die Gießform schichtweise erzeugt werden. Beispielsweise wird computergestützt aus der konstruierten Form für die Gießform ein Schichtmodell erstellt, welches dem generativen Herstellungsverfahren zugrunde liegt. Die Verwendung von Sand, welcher durch einen Binder verfestigt wird, ist vorteilhaft, da die so entstehende Gießform eine ausreichend hohe Hitzebeständigkeit für das Gießen aufweist. Insbesondere für das Gießen von Metalllegierungen, beispielsweise von Zink-haltigen Legierungen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Werkzeug aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus einer Legierung, die Zink, Aluminium, Magnesium und/oder Kupfer enthält, gegossen wird. Solche Legierungen haben einen im Vergleich zu anderen Metalllegierungen niedrigen Schmelzpunkt, so dass diese Legierungen gut für das Gießen geeignet sind. Darüber hinaus werden derartige Legierungen häufig als Material für Presswerkzeuge eingesetzt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine perspektivische Aufsicht auf eine erste Modellbauteilform,
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2 eine perspektivische Ansicht einer Bauteilform des Werkzeugs,
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3 eine perspektivische Ansicht einer Gießform für das Werkzeug,
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4 Ablaufdiagramm eines iterativen Verfahrens zur Reduktion des benötigten Gussmaterials, und
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5 Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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Ein in 2 dargestelltes Werkzeug 10, insbesondere Presswerkzeug, wird beispielsweise in der Prototypenherstellung verwendet. Eine Bauteilform 12 des Werkzeugs 10 ist hinsichtlich des benötigten Materials optimiert. Optimiert heißt im Rahmen der Fertigungstoleranzen und unter Berücksichtigung mehrerer relevanter Umstände, wie Stabilität, Herstellbarkeit oder ähnliches gefundene Annäherung an die optimale Lösung. Die Bauteilform 12 des Werkzeugs 10 kann beispielsweise in einem iterativen Verfahren 14 zur Reduktion des benötigten Gussmaterials ermittelt werden.
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Das iterative Verfahren 14 geht dabei von einer ersten Modellbauteilform 16 aus, welche überdimensioniert ausgebildet ist. Also deutlich mehr Material aufweist, als für die benötigte Stabilität erforderlich wäre. Bei einem Erstellen 18 der ersten Modellbauteilform 16 wird diese derart ausgebildet, dass die für die Funktion relevanten Merkmale vorhanden sind und übrigen Bereiche sofern möglich mit Material ausgefüllt sind.
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Durch eine Simulation 20, insbesondere eine computergestützte Simulation, beispielsweise eine auf einem Finite-Elemente-Modell basierende Simulation, werden Spannungen bestimmt, welche unter Belastung in dem Material der ersten Modellbauteilform 16 auftreten. Dadurch lassen sich Bereiche in der Modellbauteilform 16 bestimmen, welche unter Belastung nur geringe Spannungen aufweisen. Diese Bereiche tragen zur Stabilität des Werkzeugs nur gering bei. In einem weiteren Schritt wird das ausgenutzt und die nur schwach belasteten Bereiche der Modellbauteilform 16 entfernt. Es werden nur dann Bereiche von der Modellbauteilform 16 entfernt, wenn die Spannung in diesem Bereich kleiner ist als eine zulässige Maximalspannung.
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Dadurch wird eine Reduktion 22 der Materialstärke der Modellbauteilform 16 erzielt. Durch diese Reduktion 22 der Materialstärke wird eine weitere Modellbauteilform 24 erhalten. Diese weitere Modellbauteilform 24 dient nun als Basis für einen weiteren iterativen Optimierungsschritt, welcher wiederum die Simulation 20 der Spannungen, die bei Belastung auftreten, und die Reduktion 22 der Materialstärke umfasst.
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Der Optimierung durch dieses iterative Verfahren 14 sind ersichtlich Grenzen gesetzt, beispielsweise durch die Auflösung der Finite-Elemente-Simulation, des Weiteren muss aus ökonomischen Gründen die Optimierung irgendwann abgeschlossen werden. Es bietet sich an, eine Grenze zu definieren, bei deren Erreichen das iterative Verfahren 14 beendet wird. Vor der Durchführung jedes weiteren iterativen Schrittes kann eine Überprüfung 25 erfolgen, ob ein gewünschter Optimierungsgrad 27 erreicht ist. Wenn der gewünschte Optimierungsgrad 27 noch nicht erreicht ist, wird eine weitere Iteration durchgeführt. Beispielsweise kann der Optimierungsgrad 27 als Verhältnis zwischen den Massen der weiteren Modellbauteilform 24 und der vorhergehenden Modellbauteilform 24 definiert werden.
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Die auf diese Weise erzielte Modellbauteilform 24 dient als Grundlage zur Bestimmung der Bauteilform 12 des Werkzeugs 10. Dabei werden ausgehend von der letzten Modellbauteilform 24 aufgrund der Quantisierung entstandene Rauhigkeiten ausgeglichen oder beispielsweise mehrere filigrane Strukturen zu einer stärkeren Struktur zusammengefasst.
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Die so gewonnene Bauteilform 12 des Werkzeugs 10 kann dabei insbesondere Hinterschnitte 21 und/oder Durchbrüche 23 aufweisen, welche bei einem herkömmlichen Gießverfahren problematisch sind. So wird beispielsweise ein Styropormodell erstellt, welches verwendet wird, um eine Gießform 26 zu erstellen. Vor dem Gießen muss allerdings das Styropormodell aus der Gießform 26 entfernt werden. Dies ist allerdings durch die Hinterschnitte 21 und Durchbrüche 23 erschwert oder sogar unmöglich.
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Daher wird zur Herstellung der Gießform 26 ein generatives Herstellungsverfahren 28, beispielsweise ein 3D-Druck verwendet. Bei einem 3D-Druck können nahezu beliebige Formen, insbesondere mit Hinterschnitt 21 und Durchbrüchen 23 oder ineinandergreifenden Elementen hergestellt werden. Folglich kann auf diese Weise eine Gießform 26 für das Werkzeug 10 erstellt werden.
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Zur Herstellung der Gießform 26 wird ein 3D-Druck-Verfahren angewendet, welches Sand und einen Binder, beispielsweise Harz, verwendet. Zunächst wird die Gießform 26 in ein Schichtmodell überführt, das heißt die Gießform 26 wird virtuell in einzelne Schichten zerlegt. Dieses Schichtmodell wird für die Herstellung der Gießform 26 in dem 3D-Druck-Verfahren verwendet.
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Bei der Herstellung der Gießform 26 wird zunächst eine lose Schicht Sand, beispielsweise auf eine Plattform aufgetragen, wobei die lose Sandschicht vollständig die Druckebene der Plattform bedeckt. Auf die lose Schicht Sand wird bereichsweise ein Binder aufgedruckt. Der Druckbereich des Binders entspricht dabei der Form der ersten Schicht des Schichtmodells der Gießform 26. Durch den Binder verfestigt sich die lose Schicht Sand gerade in der Form, die der ersten Schicht des Schichtmodells der Gießform 26 entspricht.
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Daraufhin wird eine weitere lose Schicht Sand aufgetragen, dazu kann die Plattform abgesenkt werden, so dass der Mechanismus zum Auftragen der losen Schicht Sand und zum Drucken des Binders nicht in der Höhe verfahren werden müssen. Daraufhin wird wiederum der Binder auf der obersten losen Schicht Sand aufgebracht, entsprechend der Form der zweiten Schicht des Schichtmodells der Gießform 26. Folglich bildet sich die zweite Schicht des Schichtmodells der Gießform 26 direkt auf der ersten Schicht, so dass sich diese ebenfalls verbinden. Bei wiederholter Ausführung von Auftragen der losen Schicht Sand und des Binders kann somit die Gießform 26 erstellt werden.
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Nach dem Aushärten des Binders kann der lose Sand aus der Gießform 26 entfernt werden. Die Gießform 26 kann dann für einen Guss 30 des Werkzeugs 10 verwendet werden.
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Durch die Verwendung des generativen Fertigungsverfahrens 28 für die Gießform 26 wird es zum einen möglich, eine gewichtsverbesserte Bauteilform 12 zu gießen und zum anderen wird auch weniger Sand zur Erstellung der Gießform 26 benötigt. Darüber hinaus ergibt sich ein Zeitvorteil, da das Erstellen des Styropormodells entfällt.
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Die Gießform 26 kann für den Guss 30 des Werkzeugs 10, insbesondere für Metallguss verwendet werden. Beispielsweise kann eine Metalllegierung, welche Zink, Aluminium, Magnesium und/oder Kupfer enthält, für den Guss des Werkzeugs verwendet werden. Solche Legierungen werden bevorzugt für Presswerkzeuge eingesetzt.
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Die so hergestellten Werkzeuge 10 weisen nach dem Auslösen aus der Gießform 26 eine hohe Qualität auf, so dass das Werkzeug 10 unter Umständen ohne weitere Bearbeitungsschritte verwendet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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