DE102018107561A1 - Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs für die Verwendung in Kunststoffverarbeitungsprozessen sowie ein solches Werkzeug - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs für die Verwendung in Kunststoffverarbeitungsprozessen sowie ein solches Werkzeug Download PDF

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Fabian Fischer
Thomas Mertens
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs (10) für die Verwendung in Kunststoffverarbeitungsprozessen sowie ein solches Werkzeug (10).
Es ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs (10) für die Verwendung in Kunststoffverarbeitungsprozessen bereitgestellt wird. Dieses Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte: Es wird ein Grundkörper (14) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Der Grundkörper (14) weist zumindest ein Kanalsystem für eine medienbasierte Temperierung auf. Im Grundkörper (14) wird mittels eines additiven Fertigungsverfahrens zumindest ein Heizelement hergestellt, wobei der Grundkörper (14) und das zumindest eine Heizelement zumindest aus einem ersten Pulverwerkstoff hergestellt werden. Zudem wird zumindest ein Trennbereich aus zumindest einem zweiten Pulverwerkstoff hergestellt, welcher das zumindest eine Heizelement zumindest teilweise umschließt, so dass das zumindest eine Heizelement von dem Grundkörper (14) elektrisch isoliert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs für die Verwendung in Kunststoffverarbeitungsprozessen sowie ein solches Werkzeug selbst.
  • Bei der Herstellung von Bauteilen, etwa von Kunststoffbauteilen, welche im Spritzgussverfahren hergestellt werden, besteht hinsichtlich der Werkzeugtemperatur ein Zielkonflikt zwischen der erzielbaren Oberflächenqualität (Glanz, Bindenähte), dünner Wandstärken und der notwendigen Taktzeit. Für eine gute Oberflächenqualität, zur Vermeidung von Bindenähten und für dünnwandige Bauteile müsste die Werkzeugtemperatur möglichst hoch sein.
  • Beispielsweise müsste die Werkzeugtemperatur gerade unterhalb der Schmelztemperatur des Kunststoffes sein. Dies würde aber zu langen benötigten Abkühlzeiten bis zur Entnahme des Werkstückes aus dem Werkzeug führen. Eine niedrige Werkzeugtemperatur sorgt zwar für hohe Abkühlraten und damit kurzen Abkühlzeiten, verschlechtert neben der Abformqualität der Oberfläche allerdings dadurch auch die Fließfähigkeit des Kunststoffes im Werkzeug, wodurch dünnwandige Bauteile nicht mehr herzustellen sind und die Einspritz-, Nach- und Werkzeugschließdrücke beim Spritzgießen deutlich erhöht werden müssen.
  • Bei einem idealen Spritzgussprozess wäre also die Werkzeugoberfläche beim Einspritzen des schmelzflüssigen Kunststoffes möglichst heiß, etwa im Bereich der Schmelztemperatur des Kunststoffes, und würde nach erfolgter Formfüllung sofort schlagartig erkalten, um eine schnelle Abkühlung zu gewährleisten.
  • Der Problemstellung der unterschiedlichen Werkzeug-Idealtemperatur für die Einspritz- und Abkühlphase beim Spritzgießen wird mit der so genannten Variotherm-Technik begegnet. Hierbei wird über verschiedene Temperiertechnologien die Temperatur der Werkzeugoberfläche während eines Spritzgusszyklus variiert.
  • Insgesamt lassen sich drei eingesetzte Temperiertechnologien unterscheiden.
  • Zunächst wäre die medienbasierte Temperierung zu nennen. Bei der medienbasierten Temperierung wird ein Temperiermedium (beispielsweise Wasser/Öl) durch ein Kanalsystem möglichst nah an der Werkzeugoberfläche geführt. Für eine variotherme Prozessführung werden entweder zwei Medien mit unterschiedlichen Temperaturen nacheinander durch die gleichen Kanäle geführt oder es existieren zwei getrennte Temperierkreise, die abwechselnd mit dem heißen beziehungsweise kaltem Medium durchströmt werden.
  • Eine weitere Temperiertechnologie basiert auf einer induktiven Erwärmung der Oberfläche des Werkzeugs. Bei der variothermen Temperierung durch induktive Erwärmung wird das Formwerkzeug insgesamt durch die Verwendung eines Temperiermediums auf einer relativ niedrigen Grundtemperatur gehalten. Zu Beginn des Spritzgusszyklus wird dann ein Induktionskopf in das noch geöffnete Werkzeug gefahren und setzt die Werkzeugoberfläche einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld aus. Dies induziert Wirbelströme in der Werkzeugoberfläche, wodurch sich diese erwärmt. Nach der Erwärmung wird das Werkzeug geschlossen und der schmelzflüssige Kunststoff eingespritzt. Durch die geringere Temperatur des Werkzeuggrundkörpers kühlt die Werkzeugoberfläche relativ schnell mit der eingespritzten Kunststoffschmelze ab. Auch besteht eine weitere Temperiertechnologie auf der widerstandselektrischen Erwärmung.
  • Die widerstandselektrische Erwärmung stellt prinzipiell die energieeffizienteste Möglichkeit der Temperierung dar, da sie einen Wirkungsgrad von 1 aufweist. Analog zur induktiven Erwärmung wird der Werkzeuggrundkörper durch ein Temperiermedium auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten. Vor dem Einspritzen der Kunststoffschmelze wird die Werkzeugoberfläche widerstandselektrisch erwärmt. Hierfür bekannte Lösungen sehen die Verwendung eines Schichtsystems auf einem zuvor fertiggestellten Werkzeugkörper vor. Das Schichtsystem weist eine elektrisch leitfähige Schicht für die Widerstandserwärmung und eine Isolationsschicht zum metallischen Werkzeuggrundkörper auf.
  • Als nachteilig an der medienbasierten Temperierung könnte angesehen werden, dass die Temperierkanäle bei gängigen Werkzeugfertigungsmethoden nur bedingt oberflächennah eingebracht werden können. Auch besteht für die Temperierkanäle ein Zielkonflikt hinsichtlich der Dimensionierung zwischen einer großen Oberfläche zum Wärmeaustausch durch viele, sehr fein verästelte Kanäle und der Herstellbarkeit und der Durchströmbarkeit für welche wenige, geradlinige Kanäle mit großem Durchmesser vorteilig sind. Selbst bei der teilweisen Herstellung des Werkzeugs im 3D-Druck stellen Temperierkanäle eine mechanische Schwachstelle gegenüber der Druckbeaufschlagung durch die Kunststoffschmelze dar. Sie können daher nur bedingt oberflächennah geführt werden. Zudem erfordert es im Falle einer Durchströmung des gleichen Kanalsystems abwechselnd mit einem heißen und kalten Medium einer aufwendigen Ventiltechnik. Andererseits muss, bei der Verwendung zweier Kanalsysteme, das in dem jeweils anderen Kanalsystem verbleibende Medium bei jedem Zyklus mitgekühlt/- geheizt werden. Dabei weist die medienbasierte Temperierung generell energetisch einen schlechten Wirkungsgrad auf und ist daher sehr kostenintensiv.
  • Auch Konzepte basierend auf der induktiven Erwärmung weisen eine Reihe von Nachteilen auf. So erfordert die induktive Erwärmung einige Zeit am geöffneten Werkzeug und wirkt sich daher negativ auf die Taktzeit aus. Zudem muss die Werkzeugoberfläche „überhitzt“ werden, da die Abkühlung schon beim Schließen des Werkzeugs und somit vor dem Einströmen der Kunststoffschmelze beginnt. Eine großflächige, gleichmäßige Erwärmung ist nicht möglich. Bei sehr komplexen Werkzeuggeometrien lassen sich bestimmte Bereiche des Werkzeugs nicht induktiv erwärmen. Auch Konzepte basierend auf der widerstandselektrischen Erwärmung weisen gewisse Nachteile auf. Bedingt durch den Beschichtungsprozess lassen sich bei komplexen Werkzeuggeometrien nicht alle Bereiche des Werkzeugs erreichen. Die Beschichtung erfordert eine aufwendige Kontaktierung der Schichten zur Einleitung des elektrischen Stroms. Nur geringe Schwankungen in der lokal erzielten Schichtdicke der leitfähigen Schicht wirken sich auf den spezifischen Widerstand und somit die lokale Erwärmung aus.
  • Aus der DE 10 2014 207 510 A1 ist ein Zerspanungswerkzeug als bekannt zu entnehmen sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Werkzeugs. Dabei wird zumindest teilweise eine integrierte Kühlstruktur mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt. Als Basismaterial kann dabei entweder ein Metall- oder ein Keramikpulver verwendet werden, wobei das pulverförmige Material mit Hilfe eines Lasers verdichtet wird, beispielsweise verschmolzen oder gesintert, so dass ein zusammenhängender Körper ausgebildet wird. Ein zusätzliches Heizelement beziehungsweise ein Trennelement, welches ein solches Heizelement von dem übrigen Grundkörper beabstandet, ist nicht vorgesehen.
  • Aus der US 2017/0140956 A1 ist ein Halbleiterwerkstück in Form einer Keramikplatte offenbart, wobei in der Platte verschiedene Elemente vorgesehen sind. Die Elemente können dabei Elektroden, Kühlkanäle, Heizelemente, Temperatursensoren, Dehnungsmesstreifen und Gaskanäle sein, welche jeder in der Elektrode vorgesehen sein können. Die Keramikplatte kann mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein. Da der Grundkörper bereits aus einem Keramikmaterial hergestellt wird und eine Substitution hin zu einem metallischen Werkstoff nicht vorgesehen ist, ist entsprechend kein separates Trennelement vorgesehen, um beispielsweise vorhandene Elektroden elektrisch zu isolieren. Die Verwendung einer solchen Keramikplatte als Werkzeug für die Kunststofffertigung ist nicht vorgesehen.
  • Aus der WO 2011/071601 ist ein Heißkanalsystem als bekannt zu entnehmen. Das Heißkanalsystem umfasst dabei neben einer Verteileranordnung auch einen Verteilerkörper, welcher einen Schmelzekanal definiert, wobei dieser glattfließend, richtungswechselnd und ununterbrochen ausgebildet ist. Dabei kann ein solches System mittels additiver Fertigungstechnologien hergestellt werden. So wird in der Beschreibung unter anderem SLS (selective laser sintering) explizit genannt.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs für die Verwendung in Kunststoffverarbeitungsprozessen bereitzustellen, welches die zuvor genannten Nachteile minimiert oder überkommt und dabei gleichzeitig eine kostengünstige Verfahrensweise aufweist.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs für die Verwendung insbesondere in Kunststoffverarbeitungsprozessen bereitgestellt wird, welches die folgenden Schritte umfasst: Herstellen eines Grundkörpers mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, welcher zumindest ein Kanalsystem für eine medienbasierte Temperierung aufweist, wobei in dem Grundkörper mittels eines additiven Fertigungsverfahrens zumindest ein Heizelement hergestellt wird, wobei der Grundkörper und das zumindest eine Heizelement zumindest aus einem ersten Pulverwerkstoff hergestellt werden, und dass zumindest ein Trennbereich aus zumindest einem zweiten Pulverwerkstoff hergestellt wird, welcher das zumindest eine Heizelement zumindest teilweise umschließt, so dass das zumindest eine Heizelement von dem Grundkörper elektrisch isoliert ist.
  • Somit kann während des Verfahrens bereits ein oder mehrere Heizelemente, beispielsweise in Form von Heizdrähten, hervorgebracht werden, welche bei einer Verwendung des Werkzeugs beziehungsweise Formwerkzeugs für eine widerstandselektrische Erwärmung dienen kann. Zusätzlich verfügt das Werkzeug über ein Kanalsystem für die konventionelle, medienbasierte Temperierung zur Einstellung der Werkzeuggrundtemperatur. Auf diese Weise ist es möglich, Heizelemente beziehungsweise Heizdrähte für eine widerstandselektrische Erwärmung auch bei komplexen Werkzeuggeometrien zu realisieren, wobei eine Voraussetzung dafür darin besteht, dass bereits beim Herstellen des Werkzeugs elektrisch leitfähige und isolierende Bereiche beziehungsweise Trennbereiche erzeugt werden können.
  • Ausgehend von den bekannten Verfahren werden in dem in der vorliegenden Erfindung genannten Ansatz jeweils Vorteile von den bekannten Verfahren so miteinander kombiniert, dass die zuvor genannten Nachteile überwunden werden können. Die widerstandselektrische Erwärmung ermöglicht extrem hohe Aufheizraten. Der energetische Wirkungsgrad bei widerstandselektrischer Erwärmung ist gleich 1. Mittels der vorgestellten Kombination sind auch komplexe Geometrien darstellbar. Dabei kann bei einer späteren Verwendung eines derartig hergestellten Werkzeugs das Aufheizen vor und während des Werkzeugschließens erfolgen. Auch kann über den gewählten Durchmesser der Heizdrähte auch eine lokal unterschiedliche Erwärmung bei einheitlicher Stromstärke realisiert werden. Heizdrähte stellen dabei keine mechanische Schwächung gegenüber dem Fluiddruck der Kunststoffschmelze dar. Das vorgestellte Konzept ist prinzipiell bei allen Werkzeugen anwendbar, bei dem ein Prozess mit variothermen Betrieb von Vorteil ist. Variotherme Werkzeugkonzepte lassen sich prinzipiell für alle Kunststoffbauteile auch außerhalb der Automobilbranche einsetzen.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das additive Fertigungsverfahren Selective Laser Melting (SLM) ist und dass die Herstellung von dem Grundkörper und dem zumindest einen Heizelement und dem zumindest einen Trennbereich in einem im Wesentlichen schichtweisen Aufbau vollzogen wird. Mithilfe des Selective Laser Melting (SLM) ist es also in Kombination mit einem ersten Pulverwerkstoff möglich, einen Grundkörper und ein oder mehrere Heizelemente durch einen schichtweisen Aufbau des Werkzeugs zu fertigen, wobei die Heizelemente nach der Verarbeitung elektrisch leitfähig sind. Der Werkzeuggrundkörper und die Heizdrähte bestehen demnach aus demselben Material. Der Trennbereich beziehungsweise der elektrisch isolierende Bereich erfolgt durch die Verwendung eines zweiten Pulverwerkstoffes. Die Herstellungsschritte können somit effizient unmittelbar nacheinander vollzogen werden, wodurch ein kostengünstiges Verfahren bereitgestellt werden kann.
  • Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der erste Pulverwerkstoff ausgewählt ist aus Eisen und dessen Legierungen (zum Beispiel Werkzeugstahl), Aluminium sowie Kupfer und dessen Legierungen und der zweite Pulverwerkstoff ein keramischer Werkstoff ist. Diese Werkstoffe des ersten Pulverwerkstoffes sind nicht nur robust und ermöglichen so die Fertigung eines soliden Grundkörpers, sondern sind zudem auch elektrisch leitfähig, so dass während des schichtweisen Aufbaus des Werkzeugs sowohl der Grundkörper an sich als auch das zumindest eine Heizelement aus demselben Werkstoff beziehungsweise Pulverwerkstoff hergestellt werden können, so dass ein effizientes und kostengünstiges Verfahren bereitgestellt werden kann. Besonders bevorzugt werden keramische Werkstoffe zur Isolierung der Heizdrähte verwendet. Der Einsatz von Keramiken als Isolationsmaterial weist eine hohe Durchschlagsfestigkeit auf und sie können daher sehr dünn verwendet werden. Durch die Verwendung eines vorwiegend metallischen Grundkörpers wird eine gute Wärmeleitung zur Abkühlung der Kunststoffschmelze und für eine hohe Temperierdynamik erzielt.
  • Ferner ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das additive Fertigungsverfahren ein metallisches FDM-Verfahren (FDM = fused deposition molding) ist und dass die Herstellung von dem Grundkörper und dem zumindest einen Heizelement und dem zumindest einen Trennbereich in einem im Wesentlichen schichtweisen Aufbau vollzogen wird, wobei die Pulverwerkstoffe mittels von zumindest zwei Druckköpfen bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann ein Werkzeug aus mehreren Materialien gedruckt werden. Es kann also mittels solch eines Verfahrens beziehungsweise mittels eines 3D-Druckverfahrens der zumindest eine Heizdraht bei der Werkzeugherstellung direkt mit eingedruckt werden. Die Voraussetzung hierfür ist, dass bereits beim 3D-Druck des Werkzeugs elektrisch leitfähige und isolierende Bereiche erzeugt werden. Mittels Metall-FDM-Verfahren können relativ einfach Bauteile, wie zum Beispiel ein Werkzeug für die Verwendung insbesondere in Kunststoffverarbeitungsprozessen, aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut werden.
  • Des Weiteren ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass, wenn das additive Fertigungsverfahren ein metallisches FDM-Verfahren ist, der erste Pulverwerkstoff ein Gemisch aus Kunststoffbinder und Metallpulver ist und der zweite Pulverwerkstoff ein Gemisch aus Kunststoffbinder und Keramikpulver ist. Bei diesem Ansatz wird schichtweise mit einer Düse für den Werkzeuggrundkörper und die Heizdrähte ein Gemisch aus beispielsweise Kunststoffbinder und beispielsweise Metallpulver mittels zumindest einem FDM-Druckkopf abgelegt und mit einer zumindest zweiten Düse für die Trennbereiche beziehungsweise Isolationsbereiche ein Gemisch aus zum Beispiel Kunststoffbindung und beispielsweise Keramikpulver abgelegt. Somit können komplexe Strukturen in direkt aufeinanderfolgenden Herstellungsschritten effizient und somit kostengünstig hergestellt werden.
  • Es ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass, wenn das additive Fertigungsverfahren ein metallisches FDM-Verfahren ist, anschließend an den Herstellungsschritt des Grundkörpers, des zumindest einen Heizelements und des Trennbereichs ein Sinterverfahrensschritt vorgesehen wird. Dadurch, dass der so erzeugte Werkzeuggrünling auf Sintertemperatur erwärmt wird, kann der Kunststoffbinder thermisch entfernt werden und der Zusammenhalt der Pulverpartikel geschaffen werden. Beim Sintern auftretende Schrumpfungen können dabei im Vorfeld bereits berücksichtigt werden, so dass diese Schrumpfungen letztendlich ausgeglichen werden können.
  • Zudem ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das additive Fertigungsverfahren Drahtauftragsschweißen oder Pulverauftragsschweißen ist, wobei die lokale Materialzusammensetzung durch das zugeführte Pulver oder den zugeführten Draht bestimmt wird. Auch diese Verfahren können ein kostengünstiges Verfahren ermöglichen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass für die Herstellung des Grundkörpers und die Herstellung des zumindest einen Heizelements verschiedene Pulverwerkstoffe verwendet werden. Beispielsweise kann der Grundkörper aus Werkzeugstahl und die Heizdrähte aus Kupfer hergestellt werden. Beim metallischen FDM-Verfahren kann gegebenenfalls auch mit einer dritten Düse gearbeitet werden, um den Werkzeuggrundkörper und die Heizdrähte aus unterschiedlichen Materialien, zum Beispiel Werkzeugstahl und Kupfer, herzustellen. Es besteht somit die Möglichkeit des Einsatzes eines dritten Werkstoffes für die Heizdrähte neben dem Werkstoffgrund- und dem Isolationsmaterial.
  • Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das zumindest eine Heizelement oberflächennah in dem Grundkörper vorgesehen wird. Demnach können Heizdrähte für eine widerstandselektrische Erwärmung auch bei komplexen Werkzeuggeometrien fein verästelt und extrem oberflächennah realisiert werden. Beim Herstellen eines Formwerkzeugs beispielsweise mittels des 3D-Drucks beziehungsweise generell mit einem additiven Fertigungsverfahrens können bei der Werkzeugherstellung Heizdrähte für eine widerstandselektrische Erwärmung oberflächennah direkt mit hergestellt beziehungsweise eingedruckt werden. Es ist somit die Herstellbarkeit oberflächennaher, fein verästelter Heizdrähte beispielsweise durch 3D-Druck möglich. Zusätzlich verfügt ein solches Werkzeug über ein Kanalsystem für die konventionelle, medienbasierte Temperierung zur Einstellung der Werkzeuggrundtemperatur.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform für die Anwendung beim Spritzgießen ist vorgesehen, auch den Heißkanal und gegebenenfalls einen Heißkanalverteiler durch den erfindungsgemäßen Einsatz der additiven Fertigung von leitenden und isolieren Bereichen an komplexen Oberflächen direkt in das Werkzeug einzudrucken.
  • Generell sind neben der Kombination von Metall und Keramik auch rein keramische Konzepte unter lokaler Einbringung einer elektrisch leitfähigen Keramik oder aber Kombinationen mit Kunststoffen denkbar. Des Weiteren lässt sich das Prinzip einer beispielsweise eingedruckten widerstandselektrischen Heizung überall anwenden, wo Wärme in komplexen Geometrien und engen Bauräumen erzeugt werden muss, zum Beispiel Standheizungen, Klimaanlagen, zur Vorwärmung von Motorkomponenten, Katalysatoren etc.
  • Schlussendlich ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein Werkzeug für die Verwendung insbesondere in Kunststoffverarbeitungsprozessen bereitgestellt wird, welches nach einem der Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 9 hergestellt ist. Ein auf diese Weise hergestelltes Werkzeug kann die zuvor genannten Nachteile aufgrund der Kombination und Umsetzung der vorgestellten Varianten überkommen. Auch ist mit einem solchen Werkzeug eine kostengünstige Verwendung insbesondere in Kunststoffverarbeitungsprozessen möglich.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Werkzeugaufbaus;
    • 2 eine schematische Schnittzeichnung eines Verfahrensprinzips eines SLM - Verfahrens;
    • 3 einen Verfahrensablauf beim Werkzeugdruck;
    • 4 eine schematische Schnittzeichnung von einem FDM-Kopf-Aufbau;
    • 5 einen weiteren Verfahrensablauf beim Werkzeugdruck.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Werkzeugaufbaus beziehungsweise ein Werkzeug 10, welches mit dem vorgestellten Verfahren hergestellt wurde. Dabei sind ein oberflächennaher Heizleiter 12 zu erkennen, welcher sich in mehreren Schlaufen bezogen auf die Bildebene im oberen Bereich eines Werkzeuggrundkörpers 14 befindet. In dem Werkzeuggrundkörper 14 sind wiederum bezogen auf die Bildebene im unteren Bereich zehn Kühlwasserkanäle 16 zu erkennen, welche für eine konventionelle, medienbasierte Temperierung zur Einstellung einer Werkzeuggrundtemperatur vorgesehen sind.
  • 2 zeigt eine schematische Schnittzeichnung eines Verfahrensprinzips eines SLM-Verfahrens. Ein von einem Laser 18 ausgehender Laserstrahl 20 wird über ein Spiegelsystem 22 auf eine neue Materialschicht 24 gelenkt, wobei die neue Materialschicht 24 über ein Beschichtersystem 26 aus einem Pulvervorrat 28 gefördert wird. Neben dem Beschichtersystem 26 zeigt ein Pfeil einen Transportweg aus dem Pulvervorrat 28 an. Unterhalb der neuen Materialschicht 24 bezogen auf die Bildebene ist ein bereits verfestigter Bereich 30 zu erkennen, welcher auf einer Bauplattform 32 platziert ist. Der Pulvervorrat 28 lässt sich nach oben und die Bauplattform 32 nach unten jeweils bezogen auf die Bildebene bewegen. Dies ist in der Figur jeweils mit Pfeilen dargestellt. Die neue Materialschicht 24 wird mittels der von dem Laser 18 ausgehenden Laserstrahlen 20 verfestigt.
  • 3 zeigt einen Verfahrensablauf beim Werkzeugdruck. Im 1. Schritt ist zum einen eine Basisschicht aus leitfähigem Metall 34 zu erkennen und zum anderen eine Deckschicht aus Metall 34, welche durch eine Schicht von einem Isolator 36 in der Mitte unterbrochen ist. Bei dieser Deckschicht handelt es sich um die neue Materialschicht 24 nach dem Auftragen. Im 2. Schritt ist eine weitere neue Materialschicht zu erkennen, wobei in der Mitte nunmehr eine erste Schicht von einem Heizleiter 12 aus Metall 34 zu erkennen ist, welcher rechts und links jeweils durch eine Schicht vom Isolator 36 von dem Werkzeuggrundkörper 14 getrennt beziehungsweise isoliert ist. Im 3. Schritt werden weitere neue Materialschichten gemäß des 2. Schrittes hinzugefügt. Im 4. Schritt wird der Heizleiter 12 aus Metall 34 oben mit einer Deckschicht des Isolators 36 begrenzt. Im 5. Schritt wird der Isolator 36 mit einer Deckschicht aus Metall 34 nach oben hin begrenzt. Im 6. Schritt ist das Herstellungsverfahren nunmehr abgeschlossen.
  • In 4 ist eine schematische Schnittzeichnung von einem FDM-Kopf-Aufbau dargestellt. Das zu fertigende Werkzeug 10 liegt auf einer Bauplattform 32. Ein abwärts gerichteter Pfeil zeigt an, dass die Bauplattform 32 absenkbar gelagert ist. Von dem zu fertigenden Werkzeug 10 ist entsprechend des 1. Schrittes aus 3 bereits eine Basisschicht zu erkennen, welche in diesem Fall aus einem Metall/Kunststoff-Gemisch 38 gebildet ist. In der oberen Schicht ist dabei mittig eine erste Schicht von einer isolierenden Schicht zu erkennen, wobei in diesem Fall diese isolierende Schicht aus einem Keramik/Kunststoff-Gemisch 40 besteht. Oberhalb der Bauplattform 32 und dem zu fertigenden Werkzeug 10, bezogen auf die Bildebene, sind zwei Druckköpfe 42, 44 zu erkennen. Der rechte Druckkopf 42 druckt das Metall/Kunststoff-Gemisch 38 und der linke Druckkopf 44 druckt das Keramik/Kunststoff-Gemisch 40. Die sich anschließenden Arbeitsschritte des Entbinderns und des Sinterns sind nicht dargestellt.
  • 5 zeigt einen Verfahrensablauf beim Werkzeugdruck. Im 1. Schritt ist zum einen eine Basisschicht aus einem Metall/Kunststoff-Gemisch 38 zu erkennen und zum anderen eine Deckschicht aus einem Metall/Kunststoff-Gemisch 38, welche durch eine Schicht von einer isolierenden Schicht aus einem Keramik/Kunststoff-Gemisch 40 in der Mitte unterbrochen ist. Im 2. Schritt ist eine weitere Schicht zu erkennen, wobei in der Mitte nunmehr eine erste Schicht von einem Heizleiter 12 aus dem Metall/Kunststoff-Gemisch 38 zu erkennen ist, welcher rechts und links jeweils durch eine Schicht einer isolierenden Schicht aus einem Keramik/Kunststoff-Gemisch 40 von dem Werkzeuggrundkörper 14 getrennt beziehungsweise isoliert ist. Der Heizleiter 12 kann auch aus einem leitfähigen Metall 34, beispielsweise einer Kupferlegierung, gebildet sein, wobei dann ein nicht gezeigter dritter Druckkopf nötig wäre, welcher das Kupferpulver ablegen würde. Im 3. Schritt werden weitere Schichten gemäß des 2. Schrittes hinzugefügt. Im 4. Schritt wird der Heizleiter 12 aus dem Metall/Kunststoff-Gemisch 38 oben mit einer Deckschicht der isolierenden Schicht aus einem Keramik/Kunststoff-Gemisch 40 begrenzt. Im 5. Schritt wird die isolierenden Schicht aus einem Keramik/Kunststoff-Gemisch 40 mit einer Deckschicht aus dem Metall/Kunststoff-Gemisch 38 nach oben hin begrenzt. Im 6. Schritt ist das Herstellungsverfahren nunmehr abgeschlossen. Die sich anschließenden Arbeitsschritte des Entbinderns und des Sinterns sind nicht dargestellt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Werkzeug
    12
    Heizdraht / Heizleiter
    14
    Werkzeuggrundkörper
    16
    Kühlwasserkanal
    18
    Laser
    20
    Laserstrahl
    22
    Spiegelsystem
    24
    Materialschicht
    26
    Beschichtersystem
    28
    Pulvervorrat
    30
    verfestigter Bereich
    32
    Bauplattform
    34
    Metall
    36
    Isolator
    38
    Metall/Kunststoff-Gemisch
    40
    Keramik/Kunststoff-Gemisch
    42
    Druckkopf für das Metall/Kunststoff-Gemisch
    44
    Druckkopf für das Keramik/Kunststoff-Gemisch
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014207510 A1 [0012]
    • US 2017/0140956 A1 [0013]
    • WO 2011/071601 [0014]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs (10) für die Verwendung insbesondere in Kunststoffverarbeitungsprozessen, umfassend die folgenden Schritte: Herstellen eines Grundkörpers (14) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, welcher zumindest ein Kanalsystem für eine medienbasierte Temperierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Grundkörper (14) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens zumindest ein Heizelement hergestellt wird, wobei der Grundkörper (14) und das zumindest eine Heizelement zumindest aus einem ersten Pulverwerkstoff hergestellt werden, und dass zumindest ein Trennbereich aus zumindest einem zweiten Pulverwerkstoff hergestellt wird, welcher das zumindest eine Heizelement zumindest teilweise umschließt, so dass das zumindest eine Heizelement des Grundkörpers (14) elektrisch isoliert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das additive Fertigungsverfahren Selective Laser Melting (SLM) ist und dass die Herstellung des Grundkörpers (14) und dem zumindest einen Heizelement und dem zumindest einen Trennbereich in einem im Wesentlichen schichtweisen Aufbau vollzogen wird.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pulverwerkstoff ausgewählt ist aus Eisen und dessen Legierungen (zum Beispiel Werkzeugstahl, Aluminium, Kupfer beziehungsweise dessen Legierungen und der zweite Pulverwerkstoff ein keramischer Werkstoff ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das additive Fertigungsverfahren ein metallisches FDM-Verfahren ist und dass die Herstellung des Grundkörpers (14) und dem zumindest einen Heizelement und dem zumindest einen Trennbereich in einem im Wesentlichen schichtweisen Aufbau vollzogen wird, wobei die Pulverwerkstoffe mittels von zumindest zwei Druckköpfen bereitgestellt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pulverwerkstoff ein Gemisch aus Kunststoffbinder und Metallpulver ist und der zweite Pulverwerkstoff ein Gemisch aus Kunststoffbinder und Keramikpulver ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend an den Herstellungsschritt des Grundkörpers (14), des zumindest einen Heizelements und des Trennbereichs ein Sinterverfahrensschritt vorgesehen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das additive Fertigungsverfahren Drahtauftragsschweißen oder Pulverauftragsschweißen ist, wobei die lokale Materialzusammensetzung durch das zugeführte Pulver oder den zugeführten Draht bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung des Grundkörpers (14) und die Herstellung des zumindest einen Heizelements verschiedene Pulverwerkstoffe verwendet werden.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Heizelement oberflächennah im Grundkörper (14) vorgesehen wird.
  10. Werkzeug (10) für die Verwendung in Kunststoffverarbeitungsprozessen, hergestellt nach einem der Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 9.
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