DE102014200234B4

DE102014200234B4 - Werkzeug für die Warmumformung und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102014200234B4
Application number: DE102014200234.6A
Authority: DE
Inventors: Edward Schleichert; Jason Wilson; Mark Fabischeck; Jim Metz; Nick Adam
Original assignee: Magna International Inc
Current assignee: Magna International Inc
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: MX370392B; CA2930185A1; WO2015085399A1; US20160303637A1; MX2016006120A; DE102014200234A1; CN105813775A; US10562092B2; CN105813775B; CA2930185C

Abstract

Werkzeug für die Warmumformung von Blechen enthaltend einen Basisblock (1) und eine Funktionsschicht (7), wobei die Funktionsschicht (7) Kühlkanäle (4) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (7) aus einer Haftschicht (8), einer die Kühlkanäle umfassenden Kühlschicht (9), einer Strukturschicht (10) und einer Bearbeitungsschicht (11) besteht, die aufeinander aufbauend auf dem Basisblock (1) aufgebracht sind und die als Kühlkanalgitter (3) ausgestalteten in einem Lasersinterverfahren hergestellten Kühlkanäle (4) umfassen, wobei mindestens zwei der Kühlkanäle (4) keinen gleichen räumlichen Verlauf besitzen, wobei jeder der Kühlkanäle (4) zum jeweiligen benachbarten Kühlkanal (4) einen veränderten Verlauf aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug für die Warmumformung von Blechen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs für die Warmumformung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Stand der Technik
Werkzeugabschnitte speziell für die Warmumformung von Blechen müssen mit einem Kühlmedium, das durch Kühlkanäle läuft, gekühlt werden. Die Kanäle sind in der Regel konventionell bearbeitet und werden beim Werkzeugbau gebohrt oder gefräst. Dieses Herstellungsverfahren begrenzt eine homogene Kühlung im Fall von komplexen Werkzeug-Geometrien.
Es ist bekannt, dass thermische Herstellungsverfahren aufgrund der immer kürzer werdenden Produktentwicklungszeiten und der Erhöhung der Produktvielfalt für kleinere Losgrößen im Werkzeug- und Formenbau eine breite Anwendung findet. Dabei werden auch seit einigen Jahren metallische und nichtmetallische Ausgangsmaterialien mit dem Ziel verwendet, Werkzeuge direkt aus den CAD-Daten zu erzeugen. Die Verarbeitung derartiger Materialien für Werkzeuge, die meist in Pulverform vorliegen, erfolgt durch lasergestützte Verfahren. Bekanntermaßen unterscheidet man bei diesen Verfahren das Lasergenerieren und das Selektive Lasersintern.
Das Lasergenerieren ist prinzipiell mit einem Laserbeschichtungsprozess oder auch mit einem Laserauftragsschweißen vergleichbar, d. h. durch teilweises oder vollständiges Aufschmelzen des Ausgangsmaterials und sukzessives Nebeneinander- und Übereinanderlegen einzelner Beschichtungsbahnen wird das zu erzeugende Musterteil generiert. Die erzielbaren Genauigkeiten sind jedoch zu gering, um den Anforderungen an hochwertige Werkzeuge zu genügen.
Beim Prozess des Selektiven Lasersinterns werden in einem Pulverbett vorhandene Pulverpartikel mit Hilfe des Laserstrahls teilweise an- oder aufgeschmolzen, welche sich nach Abkühlung zu einer festen Schicht verbinden. Die gängigen Anlagen des Selektiven Lasersinterns bestehen aus einem Laser, einer Strahlformungs- und Strahlführungseinheit, einem Rechner für die Softwareaufbereitung und -verarbeitung und einer Einheit für die Pulverdosierung und Bauplattform. Der Laserstrahl wird über eine Ablenkeinrichtung, beispielsweise eine Drehspiegeleinheit, und eine Planfeldlinse auf die Bauplattform gerichtet. Die Rechnereinheit steuert die Ablenkeinrichtung entsprechend den aufbereiteten CAD-Daten. Die Bauplattform trägt u. a. die Unterlage, auf der das Bauteil gebaut wird, und ist nivellierbar gestaltet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ohne Unterlage zu arbeiten, wobei das Bauteil dann durch das umgebende Material gestützt wird. Jedoch muss auch bei dieser Verfahrensvariante gewährleistet sein, dass die Bauplattform in der Höhe verstellbar ist. Für die Bereitstellung von neuem Material dienen ein ebenfalls nivellierbarer Pulvervorratsbehälter und eine Abstreifeinheit in Form eines Schiebers oder einer Walze.
Durch Wiederholen der im folgenden genannten Prozessschritte kann sukzessive Schicht für Schicht das Bauteil erzeugt werden. Zuerst erfolgt das Aufbringen der gewünschten Pulverschichtdicke, wobei eine ausreichende Pulvermenge für eine gleichmäßige Beschichtung vorhanden sein sollte. Das Pulver wird auf die Bauplattform mit Hilfe einer Rakel oder Walze vollflächig in einer Dicke von 0,001 bis 0,2 mm aufgebracht. Die Schichten werden durch eine Ansteuerung des Laserstrahles entsprechend der Kontur des Bauteils schrittweise in das Pulverbett gesintert oder eingeschmolzen. Die Bauplattform wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen. Das Pulver wird durch Anheben einer Pulverplattform oder als Vorrat in der Rakel zur Verfügung gestellt. Die Leistungsdichte der als Wärmequelle dienenden Laserstrahlung wird nach dem zur Anwendung kommenden Pulversystem derart eingestellt und zugeführt, dass der entstehende Temperaturzyklus einen Teil des Materials an- oder aufschmilzt, wodurch der erzeugte Körper eine strukturelle Festigkeit erhält.
Um Oxidationserscheinungen der Schmelze zu vermeiden, die das Sinterergebnis besonders bei metallischen und keramischen Ausgangsmaterialien negativ beeinflussen, erfolgt der Selektive Lasersinterprozess in den Anlagen häufig unter Inertgas- oder speziellen Metallgasatmosphären in einer Bearbeitungskammer.
Aus der DE 10 2010 003 033 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Guss- und Presswerkzeugen bekannt, mit dem sich Freiformheizungen mit entsprechend angeordneten Temperiermittelkanälen erstellen lassen. Dabei wird mit Hilfe von thermischen Spritzverfahren ein Aufbau erstellt, der teilweise vorgefertigte Temperierkanäle umfassen kann.
DE 10 2007 032 621 A1 betrifft einen metallischen Werkzeugeinsatz mit einem Basisteil, das in einem Sinterprozess auf einem formgebenden Teil aufgebracht ist. Das formgebende Teil ist vorgefertigt, wobei ein Kühlkanal in die Struktur durch Bohren eingebracht ist.
DE 10 2007 054 723 A1 zeigt ein Werkzeug mit einem Basisteil und einem Formflächeneinsatz, der getrennt hergestellt ist und in das Basisteil eingesetzt wird. Der Einsatz wird durch Sintern hergestellt und weist parallel verlaufende Kühlkanäle auf.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Werkzeug hoher Präzision mit Temperierkanälen zu schaffen, das auf einfache Art und Weise auf CAD Daten aufbauend hergestellt werden kann und optimale Anpassung der Kühlung an die Form des Werkzeugs und an das herzustellende Bauteil erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird die Aufgabe auch gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafterweise wird durch das Lasersinterverfahren ein Kühlkanalgitter aufgebaut, das sehr individuell an die Ausgestaltung des Werkzeugs angepasst ist.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn jeder der Kühlkanäle zum jeweiligen benachbarten Kühlkanal einen veränderten Verlauf aufweist. Dadurch werden für die Kanäle erzeugt, die sich in ihrem Verlauf voneinander unterscheiden, obwohl sie benachbart angeordnet sind.
Es ist weiterhin von Vorteil, dass die Kühlkanäle des Kühlkanalgitters unterschiedlich Querschnitte aufweisen. Durch die unterschiedlichen Querschnitte wird das Kühlverhalten des Kühlkanalgitters an verschiedenen Orten des Werkzeugs optimiert.
Es ist weiterhin von Vorteil, dass Einlass und Auslass der Kühlkanäle jeweils an eine Verteilerleitung angeschlossen sind. Dadurch ist das Werkzeug nur ein Einlass und ein Auslass notwendig, und die Verteilerleitung kann die Versorgung der einzelnen Kanäle sicherstellen.
Ist eine vorteilhafte Ausführung, dass die Funktionsschicht aus einer Haftschicht, einer die Kühlkanäle umfassenden Kühlschicht, einer Strukturschicht und einer Bearbeitungsschicht besteht. Durch den Schichtenaufbau ist es möglich beim Lasersintern unterschiedliche Materialien zu verwenden und so die Funktionsschichten optimal an ihre Aufgaben anzupassen. Besonders in der Kühlkanäle umfassenden Kühlschicht ist es wichtig, dass die feinen Strukturen über Lasersintern mit feinen Pulverpartikeln hergestellt werden können.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass mindestens ein Kühlkanal im Temperierfluid mindestens einen Turbulenzerzeuger enthält. Durch die Integration von Turbulenzerzeugern wird der Fluss des Kühlmittels von einer laminaren Strömung in eine turbulente Strömung gewandelt und dadurch eine bessere Kühlung erzeugt.
In vorteilhaften Ausgestaltungen besteht der Turbulenzerzeuger aus Strukturen in der Wandung des mindestens einen Kühlkanals, aus Erhebungen aus der Wandung des mindestens einen Kühlkanals oder aus schaufelartigen Strukturen. Durch das Einbringen von Turbulenzerzeugern unterschiedlichen Ausgestaltungen ist es möglich den Durchfluss des Kühlmittels zu beeinflussen und so die Kühlung an verschiedenen Stellen des Werkzeugs zu optimieren.
Es ist dabei von Vorteil, dass der Turbulenzerzeuger aus Strukturen mit Hinterschneidungen besteht. Gerade für die Herstellung von Hinterschneidungen ist das Lasersinterverfahren besonders geeignet
Es ist von Vorteil ein Werkzeug für die Warmumformung zu verwenden, das aus einem oder mehreren Basisblöcken besteht, wobei mindestens einer der Basisblöcke oder mindestens ein Abschnitt eines Basisblockes mit einer Funktionsschicht hergestellt mit Lasersinterverfahren ausgestattet ist.
Das hat den Vorteil, dass das relativ teure und aufwändige Lasersintern nur in den Bereichen oder Abschnitten des Werkzeugs verwendet wird, in denen es notwendig ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs verwendet zum Aufbringen der Funktionsschicht Lasersintern.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.

1 zeigt eine schematische Darstellung der beispielhaften Ausführungsform der Kühlkanäle im CAD Modell
2 zeigt eine Darstellung des Aufbaus des Werkzeugs
3 zeigt ein Detail der Schichten
4 zeigt ein Schnittbild durch den Aufbau
5 zeigt Details der Kühlkanäle
6 zeigt eine weitere Ausführungsform.

1 zeigt eine schematische Darstellung der Kühlkanäle die zusammen ein Kühlkanalgitter 3 bilden. Das Kühlkanalgitter 3 wird von einer Zuleitung 5 gespeist, die die Kühlflüssigkeit in einen Verteiler 15 für den Kühlprozess zur Verfügung stellt. Ausgangsseitig wird die Kühlflüssigkeit wiederum mit einem Verteiler 15 gesammelt und über eine Ableitung 6 abgeführt. Zwischen den beiden Verteiler 15 sind die Kühlkanäle 4 angeordnet. Die Kühlkanäle 4 sind jeweils mit ihrem Einlass 13 an den Verteiler der Zuleitung 5 angeschlossen sowie mit ihrem Auslass 14 ein den Verteiler der Ableitung 6. Die Kühlflüssigkeit strömt in diesem Beispiel durch die Kühlkanäle 4, die nebeneinander zwischen den Verteilern angeordnet sind, von rechts nach links.
Die Kühlkanäle 4 sind dabei in einem Abstand d voneinander angeordnet. Dieser Abstand d muss nicht konstant für das ganze Kühlkanalgitter sein. Da das Kühlkanalgitter so ausgebildet ist, dass es der Struktur des Werkzeuges folgt, sowie den Aufgaben der Kühlung an bestimmten Stellen des Werkzeugs Rechnung tragen muss, sind die Kühlkanäle in ihrer räumlichen Ausgestaltung unterschiedlich. Im allgemeinen Fall verlaufen keine zwei Kühlkanäle vollständig parallel zueinander. Durch die Variation des Abstandes d sowie durch den Verlauf der Kühlkanäle können unterschiedliche Kühlaufgaben an unterschiedlichen Orten des Werkzeuges erfüllt werden.
Das Kühlkanalgitter 3 der 1 ist ein CAD Modell des Kühlgitters, das durch Lasersintern hergestellt werden muss.
In der 2 ist schematisch das Werkzeug dargestellt. Dabei wird ein Basisblock 1 verwendet. Der Basisblock 1 besteht aus einer Grundform von geringer Stahlqualität, die bereits die groben Konturen des Werkzeugs aufweist. Schematisch dargestellt ist der Verlauf des Kühlkanalgitters 3 in der Kontur des Basisblocks 1. Weiterhin sind in der Figur Werkzeugbefestigungen 12 zu erkennen.
In der 3 ist ein Schnitt durch einen Teil des Werkzeugs gezeigt.
Durch die Verwendung von Lasersintern wird der Basisblock 1 überzogen und mit einer Funktionsschicht 7 aus hochwertigem Werkzeugstahl beschichtet. Die Schicht kann dabei bis zu 12 mm dick sein. Für die Herstellung sind auch andere Maße denkbar. Innerhalb der Funktionsschicht gibt es mehrere Funktionsunterschichten.
Die erste Schicht ist eine Haftschicht 8 von etwa 4 mm Dicke, die das Material für das Lasersintern an das Basismaterial 1 anbindet. Die nächste Schicht, die Kühlschicht 9, von etwa 3 mm Dicke enthält die Kühlkanäle.
In der Kühlschicht 9 werden die Kühlkanäle 4 nach der Vorgabe des CAD-Modells strukturiert hergestellt. Durch das Lasersinterverfahren werden keine verlorenen Formen oder zusätzliche Bauteile benötigt. Die Hohlräume für die Strömungskanäle der Kühlflüssigkeit werden direkt im Pulvermaterial durch das Verschmelzen der Partikel außerhalb des Hohlraums hergestellt.
Die Kühlkanäle werden mit Querschnitten hergestellt, die eine runde Form haben, aber auch oval oder eckig sein können. Für manche Anwendungen und besondere Herausforderungen für die Kühlung kann es sinnvoll sein, auch Kombinationen von Kühlkanälen mit unterschiedlichen Querschnittsformen miteinander zu kombinieren. Auch die Durchmesser der Querschnitte können variieren.
Die nächste Schicht von 4 mm ist die Strukturschicht 10, die für die Herstellung eines robusten und starken Produktionswerkzeugs wichtig ist. Diese Schicht bietet optimalen Wärmeübertragung, und ist auch ein geeignetes Instrument für eine lange Lebensdauer, da sie bereits aus einem guten Werkzeugstahl hergestellt ist. Die letzte Schicht von 1 bis 2 mm ist die Bearbeitungsschicht, die bearbeitet wird, um die endgültige Kontur des Werkzeugs zu halten.
In 4 ist schematisch der Aufbau nochmal dargestellt. Auf den Basisblock 1 ist die Funktionsschicht 7 aufgebracht, die das Kühlkanalgitter 3 enthält.
In 5 sind Detailstrukturen der Kühlkanäle 4 dargestellt. Im unteren Bereich ist beispielsweise eine laminare Strömung 21 zu sehen. Durchströmt die Kühlflüssigkeit die Kühlkanäle 4 gleichmäßig erhält man einen Temperaturgradienten von der direkten Kontaktseite des Kühlkanals mit dem Werkzeug zum Zentrum der Kühlflüssigkeit. Daher ist es wünschenswert, wenn die Kühlflüssigkeit turbulent strömt. Die Turbulenzen werden durch Turbulenzerzeuger 20 hervorgerufen. In der 5 sind diese Turbulenzerzeuger schematisch als kleine Blöcke eingezeichnet. Die Strukturen können sowohl in der Wandung des Kühlkanals 4 als Nuten oder Aussparungen eingebracht sein, als auch als Rille, Nase oder Erhebung direkt aus der Wandlung hervorstehen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Turbulenzerzeugung durch schaufelartige Elemente, wie sie von Turbinenschaufeln bekannt sind, bestimmt.
Auch solche relativ komplizierten räumlichen Gebilde, wie Schaufeln oder Flügel, lassen sich mithilfe des Lasersinterns herstellen. Dabei bilden auch Hinterschneidungen kein Hindernis, solche komplexen Gebilde als Turbulenzerzeuger in den Strömungskanal der Kühlkanäle 4 zu integrieren.
Durch das Anströmen der Kühlflüssigkeit an die Turbulenzerzeuger wird die laminare Strömung aufgebrochen und es entstehen Wirbel, die den Wärmetransport sehr effizient und mit höherem Wirkungsgrad als eine laminare Strömung erledigen.
Die hier gezeigten Beispiele für die Turbulenzerzeuger 20 können ergänzt werden um alle möglichen Bauteile, die Turbulenzen erhöhen. Auch alle Kombinationen an unterschiedlichen Bauteilen sind für den Einbau in den Kühlkanälen denkbar.
In 6 ist schematisch eine weitere Ausführungsform dargestellt. Die Anwendung des Lasersinterns ist aufwändig und kostenintensiv. Daher ist es durchaus sinnvoll, ein Werkzeug in Teilbereiche aufzuteilen, die nicht alle mit einer Funktionsschicht aus lasergesintertem Material versehen sind. Dabei kann ein Basisblock 1 in unterschiedliche Bereiche aufgeteilt sein, wie sie in der 6 durch die gestrichelten Linien angedeutet sind. Alternativ dazu kann ein Werkzeug auch aus mehreren Basisblöcken aufgebaut sein, die miteinander verbunden werden. Die unterschiedlichen Basisblöcke können dabei eine unterschiedliche Vorbehandlung aufweisen, so dass das Aufbringen einer Funktionsschicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht für alle Basisblöcke erforderlich ist.
Bezugszeichenliste

1: Basisblock
2: Kontur des Basisblocks
3: Kühlkanalgitter
4: Kühlkanäle
D: Abstand Kühlleitungen
5: Zuleitung
6: Ableitung
7: Funktionsschicht
8: Haftschicht
9: Kühlschicht
10: Strukturschicht
11: Bearbeitungsschicht
12: Werkzeugbefestigung
13: Einlass
14: Auslass
15: Verteiler
20: Turbulenzerzeuger
21: Strömung laminar
22: Strömung turbulent

Claims

Werkzeug für die Warmumformung von Blechen enthaltend einen Basisblock (1) und eine Funktionsschicht (7), wobei die Funktionsschicht (7) Kühlkanäle (4) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (7) aus einer Haftschicht (8), einer die Kühlkanäle umfassenden Kühlschicht (9), einer Strukturschicht (10) und einer Bearbeitungsschicht (11) besteht, die aufeinander aufbauend auf dem Basisblock (1) aufgebracht sind und die als Kühlkanalgitter (3) ausgestalteten in einem Lasersinterverfahren hergestellten Kühlkanäle (4) umfassen, wobei mindestens zwei der Kühlkanäle (4) keinen gleichen räumlichen Verlauf besitzen, wobei jeder der Kühlkanäle (4) zum jeweiligen benachbarten Kühlkanal (4) einen veränderten Verlauf aufweist.
Werkzeug für die Warmumformung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (4) des Kühlkanalgitters (3) unterschiedlich Querschnitte aufweisen.
Werkzeug für die Warmumformung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einlass (13) und Auslass (14) der Kühlkanäle (4) jeweils an eine Verteilerleitung (15) angeschlossen sind.
Werkzeug für die Warmumformung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kühlkanal (4) im Temperierfluid mindestens einen Turbulenzerzeuger (20) enthält.
Werkzeug für die Warmumformung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzerzeuger (20) aus Strukturen in der Wandung des mindestens einen Kühlkanals (4) besteht.
Werkzeug für die Warmumformung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzerzeuger (20) aus Erhebungen aus der Wandung des mindestens einen Kühlkanals (4) besteht.
Werkzeug für die Warmumformung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzerzeuger (20) aus schaufelartigen Strukturen besteht.
Werkzeug für die Warmumformung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzerzeuger (20) aus Strukturen mit Hinterschneidungen besteht.
Werkzeug für die Warmumformung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug aus einem oder mehreren Basisblöcken (1) besteht, wobei mindestens einer der Basisblöcke (1) oder mindestens ein Abschnitt eines Basisblockes (1) mit einer Funktionsschicht (7) hergestellt mit Lasersinterverfahren ausgestattet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Funktionsschicht (7) durch Lasersintern erfolgt.